Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка вопроса и задачи исследования .
1.1. . Современные методы консервирования естественных кормов и факторы, влияющие на их сохранность
1.2. Сравнительный анализ способов хранения консервированных кормов
1.3. Анализ существующих типов технических, средств для уплотнения консервируемых кормов в траншеях. Выбор, объекта исследования
1.4. Аналитический обзор исследовательских, работ по уплотнению травянистых материалов
1.5. Выводы. Цели и задачи исследования
2. Теоретический анализ процесса уплотнения
2.1. Теоретические основы способов уплотнения.и анализ их критериев эффективности
2.2. Анализ процесса уплотнения...
3. CLASS Программа и методи экспериментальных исследовани CLASS й...
3.1. Программа исследований. Выбор объекта.исследования и условия испытаний
3.2. Методика определения качественных показателей технологического процесса уплотнения.
3.3. Методика определения давления в толще уплотняемой -массы
4. CLASS Анализ результатов экспериментальных исследовани CLASS й;...
5. Технико-экономическая эффективность
Заключение
Список использованных источников...
Приложения
- Современные методы консервирования естественных кормов и факторы, влияющие на их сохранность
- Сравнительный анализ способов хранения консервированных кормов
- Теоретические основы способов уплотнения.и анализ их критериев эффективности
- Программа исследований. Выбор объекта.исследования и условия испытаний
Введение к работе
Продовольственной программой СССР на период до 1990 года, одобренной на майском (1982 года)пленуме ЦК КПСС, в частности, предусмотрено ввести в строй силосные и сенажные сооружения емкостью 240...245 миллионов кубических метров.
Для того, чтобы заложить корма в союзное хранилище такого объема нужны эффективные технологии консервирования и высокопроизводительные технические средства для их осуществления.
Перед научными работниками той же программой поставлена задача разработки "...технологических процессов консервирования зеленых, кормов, позволяющих сохранить не менее 90 процентов питательных веществ".
В настоящее время в практике кормозаготовки в основном применяются два типа хранилищ консервированного корма - башни и траншеи.
Вопрос сравнительной технико-экономической эффективности от применения башен и траншей весьма сложный и зависит от многих факторов. Так, если удельные капиталовложения на строительство башни и на ее эксплуатацию выше, чем на траншею, то потери питательных веществ ниже. Важное значение имеет и зона применения. Так, например, в зонах низких зимних температур районов Сибири и Дальнего Востока корм в башнях замерзает, ввиду чего более оправдано применение заглубленных траншей.
Сравнительно низкие удельные затраты на хранение корма, а также постоянно совершенствующаяся технология консервирования и закладки кормов в траншеи являются причиной того, что в настоящее время траншейный способ хранения является лидирующим и, согласно прогнозам, будет в дальнейшем совершенствоваться и развиваться. При закладке зеленой массы на силос и сенаж, в траншеях большое значение имеет процесс уплотнения, который должен производиться в возможно более короткие сроки. В этом случае из силосуемой массы быстрее удаляется атмосферный воздух и тем самым создаются нормальные условия жизнедеятельности молочнокислых бактерий.
Технология силосования требует, чтобы зеленая масса была бы: уплотнена до 600...800 кг/м3, при этом каждый новый слой должен быть толщиной 0,5...1,0 м. Для выполнения указанного требования необходимо затрачивать большое количество ручного и механизированного труда.
Операция разравнивания и уплотнения массы на современном этапе в промышленных животноводческих комплексах производится бульдозерами, а уплотнение - гусеничными и колесными тракторами к (Т-100, Т-700 и др.).
В ряде случаев разравнивание и уплотнение совмещается, т.е. выполняется одним бульдозером.
Установлено, что для качественного уплотнения трактором Т-100 необходимо проделать до 89 проходов на каждую элементарную площадку. С целью сократить число ходов и связанные с ними эксплуатационные затраты учеными разрабатывались различные уплотнители ударного действия с падающим рабочим органом (плитой), с ударным воздействием кржвошипно-ползунного механизма и различные вибрационные машины. Указанные разработки объединяет то обстоятельство, что все они являются оригинальными конструкциями и в качестве привода у них.применен электродвигатель. Учитывая то, что по производительности они уступают тракторному способу уплотнения, эти конструкции не получили распространения в практике кормозаготовки. Поэтому, в настоящее время в Системе машин для- комплексной механизации сельскохозяйственного производства на I98I...I990 гг, в технологических комплексах, для заготовки силоса в хранилищах-траншейного типа РТК-4-05 РТК-4-07 и сенажа в хранилищах траншейного типа PTK-4-I4 РТК-4-9 для операций разравнивания и уплотнения! предусмотрены бульдозеры.
С целью повысить технологическую и экономическую эффективность операции уплотнения и разравнивания силосуемой зеленой массы в хранилищах траншейного типа в ГрузНИИМЭСХ впервые было разработано приспособление для трамбовки, которое будучи навешенное между гусеницами на трактор Т-38, превращало его в трамбовщик. Государственные испытания в 1971 году на ГрузШС (акт В 57-71 (8009200)! показали, что при весе агрегата в 5280 кг на трамбовке кукурузной силосной массы плотность трамбования составила 800 кг/м3 при производительности 10 т/ч. При этом степень уплотнения трамбовщика составила 6,15 против 5,5 контрольного трактора Т-100 МТС - за одно и то же время. Верхний завершающий слой трамбуется до получения требуемой плотности за 1,5...2 мин. После снятия с серийного производства Т-38, трамбующее приспособление после некоторых конструктивных, изменений навесили на модифицированный трактор Т-70С кл. 2т.
Положительным моментом является то, что на трамбовке используется более легкий трактор, что позволит высвободить мощные тракторы, необходимые для полевых работ.
Эффективность ударного уплотнения материалов давно доказана теорией и практикой уплотнения грунтов. Вопросами прессования сено-соломистых материалов занимались такие ученые, как акад. В.П. Горячкин, И.И. Вольф, А.А . Чапкевич, Е.М. Гутьяр, Н.Н. Ле-тошнев, М.А, Цустыгин, Н.Е, Резник и др. Однако, как показывает обзор, весьма мало работ посвящено исследованию процесса уплотнения такого материала как измельченная зеленая масса травянистых и стебельчатых культур. В основном этому процессу посвящены труды Л.Т. Колесникова, И.Я. Автомонова, В.Д. Карпенко, З.И. Ок-ропиридзе. Вопросами теории уплотнения сено-соломистых материалов занимались Й.А. Долгов, В.И. Особов, Н.А. Пустыгин, Н.В. Федоров, С.А. Алферов и другие. Вопросами реологии сельскохозяйственных, материалов занимаются в настоящее время Н.Е. Резник, P.M. Махароблидзе, В.И. Особов, И.А. Майкевский и др.
Известные исследования динамики процесса уплотнения зеленой массы знакопеременной (циклической) нагрузкой с помощью трамбующей машины проведены при допущении, что трамбовщик опирается на твердую поверхность и без учета реологических свойств уплотняемой массы. Тогда как циклическое нагружение упруго-вязкой среды: представляет собой сложный процесс деформирования, изучение которого имеет важное значение для разработки трамбовщика с оптимальными характеристиками.
Исходя из вышеизложенного, перед настоящим исследованием ставится цель - создать теоретические и экспериментальные предпосылки к обоснованию оптимальных конструктивных и режимных, параметров трамбовщика.
Работа посвящена исследованию технологии уплотнения измельченной зеленой массы трамбовщиком, динамике процесса уплотнения и реологических свойств уплотняемой среды.
В работе рассматриваются критерии эффективности различных способов уплотнения, осуществлена экспериментальная проверка полученной математической модели и оптимизация параметров трамбовщика. Приведены также результаты технико-экономических исследований.
Современные методы консервирования естественных кормов и факторы, влияющие на их сохранность
В современной практике кормозаготовки известны четыре метода консервирования естественных зеленых кормов - естественная сушка трав на сено, искусственная сушка травяной резки, силосование и сенажирование. В настоящей работе будут рассматриваться только силосование и сенажирование.
Силос представляет собой корм с высоким содержанием влаги порядка 60...70$, получаемый в результате биологических изменений растительной массы без доступа кислорода воздуха. Силос является кислым кормом (рН 4,0...4,2) с приятным запахом квашенных овощей, фруктов, кваса, хорошо поедается животными, обладает высокой питательностью и легкой усваиваемостью. Основное положительное свойство силоса то, что по своей питательности и биологической ценности почти не отличается от исходного сырья.
Сенаж является более современным видом зеленого консервированного корма. Отличие процесса сенажирования заключается в том, что кормовые культуры при закладке должны иметь более низкую влажность, равную 45...55 . физиологическая сухость массы препятствует развитию гнилостных и маслянокислих бактерий, а герметизация от наружной атмосферы способствует развитию анаэробных бактерий, частично переводящих сахар в молочную кислоту /I, 2/.
Технология заготовки силоса и сенажа примерно одинакова и включает в себя скашивание, измельчение, доставку к местам хранения и закладку в хранилища башенного или траншейного типа. При закладке силоса и сенажа в траншеи требуется дополнительное уп лотнение.
При закладке сенажа траву дополнительно подвяливают с целью снижения влажности.
Силосованию поддаются не все культуры. Наилучшими считаются подсолнечник, кукуруза и сорго, люпин, многолетние бобовые, злаковые. Для трудно силосующихся и несилосующихся применяют химическое консервирование путем добавления консервантов - муравьиной, пропоновой, уксусной и других кислот. Такими культурами являются люцерна, соя, янтак, клевер, донник и др. Добавление химических консервантов в силосующиеся культуры повышает их сохранность /I, 2, 3/.
Сенажированию поддаются бобовые и злаковые однолетние и многолетние травы. Влажность злаковых - 50...55$, а бобовых -45...55$. На сенаж закладывают исключительно травяные культуры. В сенаж, также как и в силос, добавляют химические консерванты, повышающие сохранность корма /1,4/.
На качество консервируемых кормов влияет ряд факторов, а именно: вид силосуемой культуры, сроки скашивания, степень измельчения, влажность, степень уплотнения и герметизация массы, а также время закладки. В настоящей работе рассмотрим только те факторы, которые необходимо учитывать в процессе закладки корма на хранение. Такие факторы, которые учитываются при подготовке корма, а именно: вид культуры, степень измельчения, влажность и сроки скашивания, считаем удовлетворяющими ГОСТ 23637/8-79 "Корма растительного происхождения. Сенаж. Силос" и оставляем за рамками настоящего исследования.
При закладке консервируемой массы в хранилище производят загрузку, разравнивание, уплотнение и герметизацию.
Особенно важное значение имеет герметизация корма, так как даже при тщательном соблюдении всех; условий закладки, при недостаточной герметизации корм будет испорчен.
При закладке сенажа и силоса в башни специального уплотнения не требуется, так как вертикальный столб массы самоуплотняется под действием собственного веса. Тогда при закладке в башни необходимо лишь тщательно произвести герметизацию.
При закладке корма в траншеи требуется дополнительное уплотнение с целью удалить воздух из массы и тем самым создать максимально анаэробные условия.
Исследованиями установлено, что при условии надежной герметизации высокая степень уплотнения не требуется, так как оставшийся в массе кислород воздуха полностью переводится в углекислый газ, препятствующий гниению. Это условие хорошо реализуется в башнях /5, 6/.
При закладке силоса и сенажа в траншеи требуется главным образом быстрое уплотнение, чтобы за период 5 дней закладки по норме /2/ препятствовать проникновению атмосферного воздуха в толщу массы. В противном случае интенсивно развиваются окислительные экзотермические реакции, корм разогревается и приходит в негодность /I, 2, 7/.
"Интенсивное уплотнение требуется для быстрой осадки массы, вытеснения воздуха и накопления в ней углекислого газа и других газообразных веществ, прекращающих дыхание растительных клеток, и развитие анаэробных бактерий" /7/. "В хранилищах- без надежной герметизации степень уплотнения силоса оказывает решающее влияние на потери при силосовании" /5/.
Степень уплотнения зависит от силосуемой культуры и колеблется в пределах 400.. 800 кг/м3. Верхний предел плотности для той или иной культуры ограничивается таким состоянием массы, когда стебли прижаты друг к другу, оставшийся воздух уже не выделяется, деформация массы из упруго-пластической переходит в упругую и начинается выделение сока из растений. При этом каждый новый слой в зависимости от вида культуры и способа уплотнения колеблется в пределах 0,5...1,0 м /6/.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что качество утілотнения консервируемой массы решающим образом влияет на сохранность корма в траншеях и определяет тот факт, что по сохранности корма траншейный способ хранения, в смысле герметизации, уступает башенному способу хранения.
Сравнительный анализ способов хранения консервированных кормов
На современном этапе развития средств для хранения консервированных кормов применяются три способа хранения корма: в буртах и курганах, в траншеях и в башнях.
Способ хранения в буртах и курганах нами рассматриваться не будет, так как является устаревшим и подлежит исключению из практики кормозаготовки, как обладающий большими потерями.
Башни в настоящее время применяются в основном для хранения сенажа и реже для силоса. Траншеи применяются в равной мере как для хранения силоса, так и для сенажа. Силосные башни на территории страны стали строить еще до революции, в 1912 году. Однако, широкое внедрение башен в животноводство стало осуществляться лишь сравнительно недавно, с 1970 года.
Траншейные хранилища, именуемые далее траншеями, имеют гораздо большую историю развития, которая восходит к ХУП...ХУШ ве кам непосредственно к истокам самого способа силосования зеленой растительной массы. На территории нашей страны еще до революции метод закладки силоса в траншеи был хорошо известен и распространен достаточно широко, по сравнению с башенным способом.
По типу траншеи принято делить на наземные, полузаглубленные и заглубленные. Современные наземные траншеи представляют собой коробчатую конструкцию, собранную из вертикально установленных в ряд бетонных блоков Т-образной конфигурации. Ряд установленных встык блоков образуют в плане П-образную конструкцию. Для устойчивости с внешней стороны ряд блоков присыпается землей. Дно имеет наклон к открытой части порядка 2.-Стенки также имеют наклон на внешнюю сторону в 12. Полузаглубленные траншеи отличаются от наземных тем, что ее стены наполовину утоплены в грунте с целью придать им большую устойчивость. Полузаглубленные траншеи, в отличие от наземных, являются капитальными сооружениями.
Заглубленные траншеи - современная интерпретация древних ям - являются капитальными сооружениями из бетона, кирпича и др. и характеризуются сравнительно высокой стоимостью. Применяют их в основном в районах с холодным климатом для защиты корма от мороза.
В отличие от башен траншеи не требуют специализированнной сложной механизации для загрузки и выемки корма. Загрузка массы в траншеи всех видов производится обычными средствами: бульдозерами, грейферными погрузчиками, самосвалами.
Для обеспечения герметизации стенок траншей изнутри покрывают различными обмазками, облицовывают керамическими плитками. Заложенный в траншею корм, кроме специальных мер по его герметизации, защищают от атмосферных осадков кровлей из дерева, железобетонных плит и асбоцементных листов.
В нашей стране существует целый ряд типовых, проектов траншейных хранилищ емкостью 800...4000 т силоса, шириной 9...18 м и глубиной 2,5...2,5 м. Длина траншеи определяется вместимостью /8/. Основные схемы типовых, траншей приведены на рис.1.1.
В настоящее время в нашей стране применяются как башенные, так и траншейные типы хранилищ консервируемого корма. В процессе перевода животноводства на индустриальную основу планомерно решается задача комплексной механизации производственных процессов на фермах. В атом аспекте считается, что башенные хранилища в наибольшей степени соответствуют требованиям поточности и непрерывности всех технологических процессов на ферме. Действительно, несколько башен, сблокированных, с коровником и соединенные с ним системой транспортировки корма, позволят обеспечить централизованную раздачу корма на высоком уровне механизации и автоматизации.
Однако, как показала практика, до настоящего времени подавляющая часть консервируемых кормов закладывается в траншейные хранилища /8, 9/.
Отчасти такое положение объясняется упущениями в стадии проектирования, недостатками в изготовлении, низкой культурной эксплуатации башен и просчетами в процессе включения башен в технологический поток закладки кормов на хранение /9, 10, II, 12, 13/.
По капиталовложениям и эксплуатационным затратам башни стоят дороже траншейных, хранилищ /14, 15, 16 17/.
Известно /14/, что при соблюдении технологии закладки и герметизации, потери корма в траншеях составляют Yi%, а при укрытии землей и соломой - 30...35$. В среднем по стране потери корма при хранении в траншеях составляют 20...30$ /18/. В общем по стране из-за нарушений технологии закладки и хранения кормов ежегодно теряется 22,3 млн. кормовых единиц стоимостью 1,5 млн.руб.
Теоретические основы способов уплотнения.и анализ их критериев эффективности
Как было показано выше, основным недостатком траншейного метода хранения являются сравнительно высокие потери корма ввиду недостаточной герметизации консервируемой массы, на которую влияет качество уплотнения. Выявлено также, что операция уплотнения массы, проводимая в сжатые сроки, требует привлечения больших материальных и трудовых ресурсов, достигающих половины всех затрат на консервирование корма. Анализ принципиальных схем трамбовщиков показал, что наиболее перспективным являются навесные трамбовщики ударного действия, агрегатируемые с тракторами. Тогда применение трамбовщика ударного действия, позволяющего повысить качество уплотнения и снизить затраты на закладку кормов, даст большой экономический эффект.
Аналитический обзор исследовательских работ показал, что для достижения максимальной эффективности процесса уплотнения необходимо привести параметры трамбовщика и режимы работы в оптимальное соответствие, для чего нужно изучить механику процесса трамбования с учетом реологических свойств уплотняемой среды.
Исходя из вышеизложенного, перед настоящим исследованием ставится цель - создать теоретические и экспериментальные предпосылки к разработке и оптимизации конструктивных и режимных параметров тракторного трамбовщика. При этом необходимо осветить следующее взаимовлияние скорости передвижения агрегата, массы агрегата, площади опорной поверхности, частоты ударов, реологических, характеристик среды и числа нагружений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - изучить теоретически и экспериментально упругие свойства уплотняемой массы для силоса и сенажа; - провести теоретический анализ процесса уплотнения упруго-вязкой среды периодической нагрузкой; - создать экспериментальный образец трамбующего приспособления; - провести экспериментальные исследования процесса трамбования в натурных условиях и уточнить конструктивные параметры и режимы работы; - определить эксплуатационные характеристики трамбовщика и его экономическую эффективность от применения.
Необходимо также провести предварительные полевые опыты с целью наблюдения за особенностями протекания рабочего процесса1.
Процесс уплотнения растительных материалов в измельченном состоянии или в естественном виде, представляющих собой в массе упруго-вязкую среду, в своей физической основе аналогичен уплотнению грунтов, теория и практика которого хорошо разработана и имеет большую историю развития /45, 46, 47, 48/. Различие между уплотнением грунта и уплотнением растительной массы будет заключаться только в реологических свойствах обрабатываемой среды. Это касается, в первую очередь, упругих, диссипативных и пластичных свойств уплотняемого материала.
Уплотнение материалов, в частности, грунтов в настоящее время принято подразделять на три вида (рис.2.1.) /49, 50/: 1) укатка, которая характеризуется статическим воздействием на материал; 2) трамбование, которое характеризуется ударным воздействием на материал; 3) вибрационное уплотнение, при котором технологический эффект достигается за счет изменения физических свойств материала под действием вибрации. Если подходить к вопросу нагружения материала строго, то уплотнение материала катком, трактором или другой движущейся поступательно нагрузкой является не статическим, а динамическим. Известно /49/, что при уплотнении материала катками перед передним катком образуется волна.
Программа исследований. Выбор объекта.исследования и условия испытаний
Эта формула получена на основании закона сохранения энергии. Как известно, этот метод не учитывает закон нарастания деформации, имеющий обычно вид половины синусоиды, аппроксимируемой часто треугольником. Тогда как колебательное приложение нагрузки к упругой среде может вызвать эффекты, учет которых необходим (резонансные амплитуды, глубина проникновения деформации в слой, сдвиг фаз между нагрузкой и деформацией).
Как было отмечено выше в разделе 1.4, эффективность ударной нагрузки на материал с целью достижения необратимой деформации принято оценивать с помощью коэффициента, учитывающего какая доля кинетической энергии до удара перешла в необратимую работу пластического деформирования /49/.
Для грунтов в работе /49/ приведена следующая формула К.П.Д. удара: где 2 - К.П.Д. удара; » tvf - масса ударяющего груза, кг; - масса уплотняемого грунта, приведенная к массе ударяющего тела, кг. В работе /47/ для случая ковки предлагается другой вид формулы К.П.Д. удара: кинетическая энергия, перешедшая в необратимую деформацию , Дж; - кинетическая энергия, затрачиваемая на деформацию материала от нуля до максимума за 1/2 периода удара, Дж. Обе формулы выведены, основываясь на гипотезе Ньютона о независимости коэффицента восстановления от относительной скорости соударяющихся тел.
Но исследования /26, 37/ показывают, что существует оптимум удельного импульса удара при уплотнении, а это указывает на то, что существует и оптимум начальной скорости удара в случае взаимодействия с упруго-вязкой средой или частоты внешнего воздействия. Исследованиями установлено, что при ударном уплотнении определенное значение имеет удельный ударный импульс S , который имеет размерность Мс/лге и выражается в общем виде формулой, предложенной Н.Я. Хархутой г где - удельный ударный импульс # с/ р ; (эу - ударный импульс е ; Ф - площадь плоской поверхности, на которой производится удар, м2; /" - сила, Н; "- - время, с.
Оказалось, что при уплотнении одиночной ударной нагрузкой силосуемой массы величина удельного импульса обладает оптимальным значением. В работе /25/ удельный импульс рекомендуют выбирать в пределах 1,5...2,0 кНс/м2; в работе /26/рекомендуются значения в пределах 0,8...1,6 кНс/м2. Существование оптимума для удельного импульса объясняется дисперсными свойствами силосуемой массы, ее упругостью и коэффициентными свойствами силосуемой массы, ее упругостью и коэффициентами внутреннего трения (сопротивлением сдвигу). Превышение удельного импульса некоторого порога вызывает не трамбование, а забивание (заглубление) трамбующей плиты в толщу материала как сваи.
Введение понятия удельного импульса удара определило другой подход к оценке качества уплотнения, а именно, влияние удельного импульса и числа его повторений на плотность силосуемой массы, которое выражается следующим образом /26/: где j, Ji - конечная и начальная плотность, кг/м3; - удельный импульс, Нс/м2; /7 - число ударов (4 - - 80); Л; - коэффициенты ( А - 8,36; & = 0,125). Как видно, зависимость плотности от удельного импульса и числа ударов нелинейная и в этом случае, что подтверждено экспериментально.
Существуют и другие критерии эффективности удара в технологических процессах, а именно, энергетическая оценка процесса перехода количества движения ударной массы в деформацию. Эти технологические процессы относятся к развитым отраслям обработ ки металлов и строительного дела: забивки свай, уплотнение грунта, ковка металлов и другие ударные процессы.
Если отметить, что главный положительный эффект уплотнения массы - пластическая деформация, то тогда эффективность удара можно рассматривать как отношение первоначального значения кинетической энергии То к потерянной А Т /41/
