Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1 Анализ технологий и технических средств заготовки сена 8
1.2 Обзор и анализ результатов исследований процессов прессования грубых кормов и образования рулонов 27
1.3 Выводы и задачи исследования 34
2 Теоретические исследования процессов формирования навивкой рулонов сено - соломистых материалов 36
2.1 Закономерности образования рулонов навивкой слоев стеблевой массы в прессовальной камере переменного объема 36
2.2 Устойчивость сформированных рулонов к раскручиванию навитых слоев стеблевой массы 45
2.3 Закономерности уплотнения сено-соломистых материалов 50
2. 4 Выводы 69
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 71
3.1 Цель и программа исследований 71
3.2 Общие положения методики исследований 72
3.3 Частные методики, применяемое оборудование и измерительная аппаратура 73
3.4 Методика обработки экспериментальных данных и оценка точности измерений 91
4. Результаты экспериментальных исследований 95
4.1 Характеристика сенной массы 95
4.2 Зависимость плющения стеблей от усилий уплотнения слоя сенной массы, её влажности и толщины слоя 95
4.3 Результаты исследования влияния толщины слоя, влажности сенной массы и ориентации стеблей на связанность стеблей в слоях рулона з
4.4 Результаты исследования зависимости радиуса излома от свойств стеблевой массы 102
4.5 Коэффициент трения скольжения в межстеблевом пространстве и стеблевой массы о рабочие поверхности пресс-подборщика 103
4.6 Энергоемкость прессования и плотность прессования при формировании рулонов 106
4.7 Исследование фиксации слоев стеблевой массы в рулоне при безобвязочном прессовании 108
4.8 Оценка сохранности целостности формы рулонов ПО
5. Экономическая эффективность предлагаемой технологии безобвязочного формирования малогабаритных рулонов грубых кормов 112
5.1. Затраты труда при различных технологиях 112
5.2. Затраты на изготовление конструкции 115
5.3. Экономический эффект от предлагаемой разработки 115
Общие выводы 118
Литература
- Обзор и анализ результатов исследований процессов прессования грубых кормов и образования рулонов
- Устойчивость сформированных рулонов к раскручиванию навитых слоев стеблевой массы
- Частные методики, применяемое оборудование и измерительная аппаратура
- Результаты исследования влияния толщины слоя, влажности сенной массы и ориентации стеблей на связанность стеблей в слоях рулона
Введение к работе
Актуальность темы. Большую долю в кормовом балансе сельскохозяйственных животных занимают грубые корма. Сено является незаменимым видом корма для обеспечения полноценного кормления скота. Высококачественное сено может удовлетворять потребность животных в кормовых единицах на 45…50 %, в переваримом протеине на 35…45 %, в минеральных веществах на 50 % и в каротине практически полностью.
Концентрация и индустриализация животноводства невозможны без разработки принципиально новых систем заготовки кормов и их приготовления. В связи с этим первостепенное значение приобретают совершенствование орудий труда, новых технологических процессов и внедрение систем машин с высокими экономическими показателями, позволяющими производить заготовку кормов высокого качества.
Повышение питательности корма и содержания витаминов происходит за счет прессования сена повышенной влажности с предварительным плющением и последующей досушкой с помощью активного вентилирования. В связи с этим особый интерес вызывает прессование сена без применения обвязочного материала. Такой способ дает возможность избавиться от недостаточно надежного в эксплуатации вязального аппарата, дорогостоящего обвязочного материала, который при попадании в корм КРС после измельчителя оказывает негативное физиологическое влияние и от трудоемкого процесса измельчения рулонов.
Заготовка корма в малогабаритные рулоны массой 10…15 кг с низкой плотностью позволяет обеспечить эффективное досушивание влажного сена и дозирование корма.
Технологическому процессу безобвязочного прессования посвящен ряд теоретических и экспериментальных исследований, но все они направлены на изучение безобвязочного прессования в поршневых прессах. В настоящее время предпочтение отдано рулонным пресс-подборщикам в связи с более высокой производительностью. Процесс безобвязочного прессования сена в рулоны до настоящего времени изучен недостаточно.
В связи с этим теоретические и экспериментальные исследования рулонообразования без обвязки с целью улучшения качества кормов являются актуальными.
Актуальность выбранного направления подтверждается соответствием данной темы межведомственной координационной программе Российской академии сельскохозяйственных наук «Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001…2005 гг. по проблеме IX «Научные основы формирования эффективной инженерно-технической системы АПК»: этап 02.01.09.01 «Разработать перспективные технологии и новейшие комплексы машин для производства высокопротеиновых кормов».
Цель работы. Повышение качества заготавливаемых грубых кормов путем совершенствования технологии и пресс-подборщика для безобвязочного формирования малогабаритных рулонов.
Объект исследования. Технологический процесс образования малогабаритных рулонов сеносоломистых материалов.
Задачи исследования
1. Разработать технологию безобвязочного формированием малогабаритных рулонов при заготовке сена.
2. Изучить закономерности процесса образования рулонов в прессовальной камере переменного объема.
3. Обосновать основные параметры рабочих органов формирования малогабаритных рулонов сена без обвязки.
4. Произвести оценку эффективности безобвязочного прессования малогабаритных рулонов сена и их использования.
Предмет исследования. Закономерности технологических процессов и параметры рабочих органов пресс-подборщика при безобвязочном формировании малогабаритных рулонов.
Научная новизна:
- определены закономерности образования рулонов в прессовальной камере переменного объема;
- обоснованы параметры устойчивости к раскручиванию навитых слоев стеблевой массы в рулоне;
- доказана необходимость предварительного деформирования массы сена перед прессованием с целью снижения пластичности и упругости прессуемого материала в формируемом рулоне;
- обоснованы параметры пуансонов для фиксации уплотненных слоев рулона с целью сохранения его формы.
Практическая ценность. Разработана технология безобвязочного формирования малогабаритных рулонов, обеспечивающая снижение затрат на заготовку сенного корма и обоснованы параметры рабочих органов прессования сена в рулоны.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований апробированы в СПК «Малышенский» Голышмановского района Тюменской области, ФГУП «Учебно-опытное хозяйство Тюменской ГСХА». По теме проведенных исследований разработаны лабораторные работы, которые используются в учебном процессе на кафедре сельскохозяйственных и мелиоративных машин Тюменской ГСХА. Результаты исследований и предложения по технологии безобвязочного прессования малогабаритных рулонов приняты департаментом АПК Тюменской области.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- технология безобвязочного формирования малогабаритных рулонов;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей формирования рулонов в прессовальной камере переменного объема и устойчивости их к разрушению;
- результаты экспериментальных исследований по обоснованию параметров основных рабочих органов формирования рулонов;
- оценка экономической эффективности результатов работы.
Апробация. Основные положения результатов исследований доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных международных научно-технических конференциях:
- «Достижения науки – агропромышленному производству» (г. Челябинск, Челябинский государственный агроинженерный университет, 2000-2006 гг.);
- «Аграрная наука - производству» (г. Тюмень, Тюменская государственная сельскохозяйственная академия, 2000-2004 гг.);
- «Научные результаты – агропромышленному производству» (г. Курган, Курганская государственная сельскохозяйственная академия, 2005 г.);
- «Энтузиазм и творчество молодых ученых – агропромышленному комплексу Урала» (г. Екатеринбург, Уральская государственная сельскохозяйственная академия, 2003-2005 гг).
Обзор и анализ результатов исследований процессов прессования грубых кормов и образования рулонов
Технология прессованием исключает операции копнения, скирдования, ворошения, измельчения, что и исключает потери кормов. При хранении сена в тюках вместимость хранилищ удваивается, исключаются потери корма при транспортировании и раздаче. Если влажность прессованного сена более 17...22%, то тюки досушивают. Интенсивность досушивания зависит от влажности травы и плотности прессования. Прессованное сено хранится лучше рассыпного, потери сухого вещества за зимний период не превышают 1,9...6%
Прессование сено-соломистых материалов осуществляется пресс-подборщиками. Технологический процесс их работы складывается из подбора растительной массы из валка, подачи её в прессовальную камеру, спрессовывание до заданной плотности, фиксация полученного спрессованного объема сено-соломистого материала до реализации его по назначению.
Наибольшее применение получили поршневые пресса и рулонные с переменной и постоянной прессовальными камерами. Принципиально поршневые и рулонные пресс-подборщики отличаются организацией процесса уплотнения.
В поршневых прессах объём спрессованной растительной массы (тюк) образуется из отдельных порций путем возвратно-поступательного движения поршня в прессовальной камере.
В рулонных прессах процесс формирования объёма спрессованной массы (рулона) осуществляется непрерывно путем наматывания потока растительной массы на дорн до заданного диаметра. Известны следующие типы пресс-подборщиков: 1 - пресс-подборщики с поршневыми прессами: с обвязкой проволокой; с обвязкой шпагатом; без обвязки. 2 - пресс-подборщики с рулонным прессом: с переменной прессовальной камерой; с прессовальной камерой постоянного объема. Рулонные пресс-подборщики с камерой постоянного объема формируют рулоны с мягкой (низкой плотности) сердцевиной, с камерой переменного объема - с твёрдой (высокой плотности) сердцевиной. Рулонный пресс-подборщик с камерой переменного объёма. Рулоны с твёрдым центром получаются посредством уплотнения и свертывания зеленной массы сразу же при поступлении её в камеру. Эти машины имеют камеру переменного объёма, которая увеличивается по мере навивки рулона.
Рабочими органами прессования являются резиновые ленты (полосы), которые в напряженном состоянии формируют камеру. Механизм натяжения лент регулирует силы натяжения, прилагаемые к лентам, и обеспечивает необходимое расслабление в соответствии с увеличением тюка. В начале образования дорна (сердечника), сворачиваемый рулон сразу будет получаться с твердой сердцевиной.
К этой группе машин относятся пресс-подборщик К-442 (Германия), ПРП-1,6 (Россия), модели фирма "Вермер", "Хесстон"(США) и др. [6,7]. Рулон образуется за счёт трения материала, подаваемого подборщиком, о бесконечный движущийся ремень. Технологическую схему работы можно рассмотреть на рисунке 1.2. Такого вида пресс-подборщики позволяют прессовать сено влажностью до 20 % в рулоны массой до 400 кг.
Пресс-подборщики с камерой постоянного объёма. Рулоны с мягкой сердцевиной получаются, когда пресс имеет фиксированный объем камеры, соответственно рисункам 1.3, 1.4, 1.5, обычно состоящий из системы вращающихся роликов. Зеленная масса, поступающая в эту камеру, беспорядочно падает до тех пор, пока камера не заполняется. На этой стадии добавление большего количества трав вызывает у пресса уплотнение снаружи. Чем больше травы поступает, тем больше уплотнение.
Из-за того, что рулоны уплотняются с наружной стороны вовнутрь, в центре получается сердцевина с более низкой плотностью, что позволяет заготавливать сено из зелёной массы с высокой влажностью без риска ферментации.
Устойчивость сформированных рулонов к раскручиванию навитых слоев стеблевой массы
При выпадении дождей сено и солома повышают свою влажность, создаются благоприятные условия для деятельности грибковых и других бактерий, снова изменяется структура и химический состав стеблей.
В результате рассмотрения физико-механических свойств стеблей можно сделать некоторые выводы:
1) С повышением зрелости растений, когда у них снижается содержание влаги, увеличивается модуль упругости, жесткость стеблей и упругие свойства, уменьшаются удлинение, прочность стеблей и энергоемкость разрушения.
2) С повышением их влажности растений снижается модуль упругости и жесткость стеблей. Одновременно повышаются его прочность, энергоемкость разрушения, коэффициент трения, эластичность и пластичность.
3) Коэффициент трения соломы, ввиду особого физического состояния поверхности ее стебля, значительно ниже, чем у трав. Коэффициент трения стебля о стебель ниже коэффициента трения стебля о сталь (в среднем на 5,2 %).
4) Радиус изгиба-излома и коэффициент трения стеблей не являются постоянными величинами, а находятся в зависимости от их влажности и диаметра.
Для всех злаковых культур с уменьшением влажности радиус изгиба-излома увеличивается. Радиус изгиба-излома увеличивается также с увеличением диаметра стеблей.
Релаксация напряжений в сено-соломистой массе при её уплотнении. Сено-соломистые материалы можно отнести к сложным материалам, так как в их состав входят твердая фаза, вода и воздух. Вследствие неоднородности сено-соломистых материалов и взаимодействия этих трех фаз между собой, на их деформацию весьма существенно влияет фактор времени. Величина деформации зависит от скорости изменения напряженного состояния, продолжительности действия нагрузки и характера ее действия. При прессовании сена наблюдается явление релаксации, при котором с течением времени снижаются внутренние напряжения [59, 60,61].
Внешне релаксация проявляется в значительном снижении внутренних напряжений при сохранности постоянства полученной деформации.
Впервые закон релаксации силы или напряжений для идеальной упруго-вязкой среды был дан К. Максвеллом.
Советский ученый Курнаков Н.С. высказал мнение, что релаксация напряжений представляет собой очень сложное явление, возникающее в результате ряда процессов, происходящих при деформации твердого вещества [59].
При деформировании любого твердого тела с конечной скоростью в нем нарушается равновесие и возникает один или несколько релаксационных процессов, порождаемые стремлением тела занять равновесное состояние. Курнаков Н.С, наблюдал за падением напряжения во времени и пришел к выводу, что скорость релаксации, а следовательно и время, зависит от природы релаксации материала, его предварительной обработки, а также от внешних условий [59, 66]. В чистом виде релаксация протекает при неизменности начальной суммарной деформации объекта, т.е. Е0 = Еи + ЕР = const, (1.4) где Е0- суммарная начальная деформация, Еи - упругая деформация, ЕР- пластическая деформация. Если в материале, поставленном в условия, препятствующие изменению исходной суммарной деформации, создано напряжение по величине даже меньше предела упругости и, следовательно, в начальный момент времени вся деформация образца только упругая, то все же с течением времени упругая деформация начинает уменьшаться, а пластическая - нарастает. Кроме того, по мнению Курнакова Н.С. и Губкина М.И. скорость релаксации зависит не только от скорости деформации, но прежде всего, она является функцией свойства самого вещества.
Наблюдениями установлено, что сено - соломистые материалы обладают значительными релаксационными свойствами, которые необходимо учитывать при безобвязочном прессовании грубых кормов.
При выходе рулона из прессовальной камеры, приготовленного из сухого сено-соломистого материала, обладающего большими упругими свойствами, происходит увеличение размера (увеличения в габаритных размерах) рулона за счет снятия внешней нагрузки. Наличие большого выпора отрицательно сказывается на прочности рулона, так как может произойти разрушение внутренних связей. С другой стороны свертывание рулона проводится в длительный промежуток времени, поэтому релаксация напряжений снижается. Учитывая, что в рулоне остаются остаточные упругие деформации, то его необходимо задерживать в камере прессования с внешней нагрузкой и проводить фиксацию спрессованной массы рулона непосредственно внутри пресс-камеры. В существующих прессах это достигается обвязкой сформированного рулона шпагатом.
После освобождения рулона из прессовальной камеры внутренние напряжение рулона снижается на 5... 10%. Это явление обусловлено релаксационными свойствами сено-соломистых материалов. В случае значительной «распрессовки» происходит существенное ослабление внутренних связей между стеблями, рулон получается рыхлым и непрочным. Это вызывается такими причинами, как: - переходы упругих деформаций в пластические; - наличие в материале газообразной фазы; - низкая влажность прессуемого материала (повышающая упругие свойства прессуемого материала). С целью снижения релаксационных явлений целесообразно обеспечить снижение упругих деформаций в спрессованной сено-соломистой массе.
Частные методики, применяемое оборудование и измерительная аппаратура
С увеличением окружной скорости рулона уменьшится инерционность процесса. Увеличится относительная длина слоя по отношению к его первоначальным размерам и уменьшится толщина слоя, что улучшит поступление сена в прессовальную камеру.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Величина смещения слоев рулона после навивки зависит от коэффициента внутреннего трения корма, числа слоев, плотности рулона и упругих свойств растительного материала.
2. С увеличением окружной скорости рулона улучшается процесс уплотнения слоя корма и поступления его в прессовальную камеру, повышается производительность прессования.
Для обеспечения понижения упругости стебельно-листовой массы необходимо применение плющильного аппарата, который должен обеспечивать захват слоя материала определенной высоты и его прокатку между вальцами без пробуксовывания. Основные параметры аппарата должны удовлетворять, как условию захвата слоя сена, так и обеспечить достаточное усилии сжатия. Вследствие того, что процессы подбора сена и рулонообразование являются непрерывными, то плющильный аппарат принимаем в виде вальцевой пары с симметричным приводом.
Условие захвата вальцами слоя материала определяется зависимостью между высотой слоя материала Ьн, диаметром вальцов D, коэффициентом трения /материала по поверхности вальцов и зазором Л между ними (рисунок 2.7). Для нормального протекания процесса плющения необходимо, чтобы проекция равнодействующей всех сил в точке контакта А на оси ОХ, была направлена в сторону вращения вальцов [1].
Пусть точка контакта в момент захвата характеризуется угловой координатой, соответствующей начальному углу ао. Спроектировав нормальную силу N и силу трения F на горизонтальную ось ОХ, получим Nfcos а о =N sin a о Условие захвата запишем в виде следующего равенства: f sina0/cosao = tgao (2.44) или, выразив коэффициент трения / через угол трения ср: f = tg р, получим необходимое условие в виде а0 д . Максимальную высоту слоя находим из соотношения между диаметром вальцов и обжатием слоя: ПНтах = A+D (1- COS (XQ) Подставив в это выражение наибольшее допустимое значение угла а0, равное значению угла трения ср, получим следующее неравенство: hHmax A+D(l-cos(p) =A+D[l-(1/Juli 9)] Из этого неравенства получаем выражение для определения минимального диаметра плющильных вальцов, обеспечивающих обработку слоя заданной толщины hrf. Dmm= (hH-A )/(1-cos (р) а) а - при захвате; б - при протаскивании в процессе плющения Рисунок 2.7 - Силы, действующие на материал I
Выведенное условие относится к случаю четко ограниченного слоя. На практике слой состоит из отдельных неоформленных порций, условия захвата такого слоя более благоприятны и диаметр вальцов можно принять несколько меньшим. В процессе устойчивой работы плющильного аппарата вместо точки контакта А появляется дуга контакта АВ, (рисунок 2.7), а точка С приложения равнодействующей нормальной силы определится некоторой угловой координатой а. Для нормального протекания процесса достаточно, чтобы выполнялось неравенство ср а
Так как угол а ао, то из последнего неравенства следует, что вальцы могут плющить слой материала большей толщины, чем тот, который они могут захватить в начальный момент.
Из приведенных на рисунке 2.8 данных следует, что обрезиненные вальцы имеют существенно большую захватывающую способность. С уменьшением влажности сенной массы захватывающая способность вальцевой пары уменьшается. При исходной толщине слоя 20...25см и влажности сена 25...45% устойчивая работа вальцевой пары обеспечивается при диаметре вальцов 210...270мм со стальной поверхностью и 120... 150мм с обрезиненной поверхностью.
Теоретически процесс прокатки рассмотрен в работах В.И.Особова [1,2, 22], И.А.Долгова [36, 37], Майковского И.А. [58] и др. Основная трудность математического описания состоит в правильном выборе уравнения зависимости уплотнения материала от приложенного давления и в определении эпюры давления между плющильными вальцами.
Рассмотрим плющение вальцами упругопластического материала [1,2, 76].
Сено обладает как упругими, так и пластическими свойствами, поэтому слой материала, зажатый в зазор между вальцами до минимальной высоты hmin = А , на выходе из вальцов слой снова увеличивается вследствие остаточных упругих деформаций, но уже до меньшей высоты.
Слой с начальной высотой hH, пройдя через зазор А, восстанавливается до конечной высоты hK. Рассмотрим сначала случай, когда можно пренебречь пластическими свойствами материала и, считая его абсолютно упругим, принять hK. Тогда основные закономерности процесса плющения можно вывести на основании следующего.
Результаты исследования влияния толщины слоя, влажности сенной массы и ориентации стеблей на связанность стеблей в слоях рулона
Опыты по определению оптимального усилия для уплотнения потока сенной массы проводились при влажности в пределах 25-45% и толщине исходного слоя 5, 10,15,20 см.
Для анализа качества плющения слоя в зависимости от толщины и влажности отбирался пучок в сто стеблей при каждом опыте. Затем стебли разделялись на сплющенные и несплющенные. Результаты экспериментов представлены в приложении Е и на рисунках 4.1,4.2,4.3.
Анализ результатов показывает, что достаточный урвень плющения стеблевого потока сена (70...75%) достигается при усилии сжатия слоя толщиной до 15 см не менее 500-550 Н; при толщине слоя 20 см. - не менее 800 Н. Увеличение давления вальцами деформатора более указанных не является целесообразным, так как приведет к увеличению затрат энергии. При анализе зависимости плющения стеблей при различной влажности можем отметить, что наиболее склонны к плющению стебли с повышенной влажностью.
Для повышения процента сплющенных стеблей при высоте валка более 15 см. необходимо увеличение усилия на сжатие вальцов уплотняющего механизма до 800 - 850Н. Увеличение усилий свыше 850Н, не является целесообразным, так как не приводит к увеличению степени плющения, но приведет к увеличению затрат энергии.
Результаты исследований сведены в таблицу приложения И. Погрешность при измерении толщины слоя прессуемого материала составляет около 1 см.
При различной урожайности травостоя изменяется и толщина поступаемого слоя сена. Чем меньше толщина слоя, тем больше количество витков рулона необходимо для наполнения пресс-камеры, тем больше времени происходит рулонообразование, что положительно влияет на релаксационные свойства внутренних слоев. Отсюда внутреннее давление слоев уменьшается, а плотность рулона увеличивается. Об этом свидетельствуют данные по изменению плотности рулона приведенные в приложении И и на рисунке 4.4.
Исследования по устойчивости рулона к расплетанию верхнего слоя и продольной устойчивости проведены при ориентации стеблей с отклонением относительно продольной осевой на углы в 10, 20, 30 и 45 (рисунки 4.5, 4.6, 4.7, 4.8).
Полученные результаты представлены в приложения К и рисунке 4.9. Показания фиксировались по максимальному значению усилия отрыва верхнего слоя Р0. Понижение устойчивости верхнего слоя к отслоению можно объяснить тем, что при угле а = 45 отклонения ориентации стеблей происходит захват меньшего их количества рабочей частью пуансона при прошивании рулона.
Проведены также исследования по устойчивости рулона на разрыв относительно продольной его оси. Полученные данные приведены в приложении Л и на рисунке 4.10.
Меньшее усилие к разрушению рулонов с уклоном стеблей в 10 объясняется слабыми зацеплениями стеблей в продольном направлении рулона. При уклоне стебля в 45 происходит понижения усилия необходимого для разрыва рулона за счет снижения бокового трения стеблей.
По полученным данным зависимости усилий на отрыв верхнего слоя (рисунок 4.9) и разрыв рулона в продольном направлении (рисунок 4.10) целесообразно формировать стеблевой поток сена с углом уклона стеблей а = 25.. .35 .
В работах А.А. Бориневич [75], В.Д. Дутова [54], Г.П. Григоренко [78] установлено, что при средней длине стеблей более 35см, до 30...40% стеблей ложится в валок с уклоном до 20...30 относительно продольной линии валка. С учетом приведенных данных опыты проведены с уклонами стеблей в пределах 20...30.
При анализе представленных зависимостей можно отметить, что наибольшую прочность рулон достигает при отклонении стеблей потока в пределах 20...30 , а также при большем количестве витков сена в рулоне, что имеет место при исходной толщине слоя 10... 15 см.
Результаты исследований захватывающей способности пуансонов приведены в приложениях М, Н. На основе анализа полученных данных можно сделать следующие выводы: пуансоны с диаметром 8мм не пригодны для прошивания, так как при пониженной влажности стебли склонны к излому. Также этот вид пуансонов имеет низкую захватывающую способность, что ведет к снижению качества прошивания. Наиболее оптимальным вариантом являются пуансоны рабочие элементы которого выполнены с диаметром 10...12мм. (б, в, д-рис.3.12,3.13).