Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований
1.1. Технология заготовки и хранения консервированных кормов 11
1.2. Механизированные средства разгрузки траншейных хранилищ 26
1.2.1. Способы выемки силоса и сенажа 26
1.2.2. Механизированные средства для выемки консервированных кормов 30
1.2.3. Анализ разработок и исследований блочной выемки консервированных кормов 40
1.3. Выводы, цель и задачи исследований 44
2. Теоретическое исследование энергозатрат на блочную выемку консервированных кормов
2.1. Теоретические основы блочно-порционной выемки силоса и сенажа 47
2.1.1. Кинематическое исследование рабочего органа 49
2.1.1.1. Уравнения плоскостей фасок несущих зубьев и режущих элементов 53
2.1.1.2. Сопротивление на фасках несущих зубьев и режущих элементов от сил обжатия 57
2.1.1.3. Сопротивление на фасках несущих зубьев и режущих элементов от сил трения фронтального ножа 58
2.1.1.4. Сопротивление на боковой поверхности несущего зуба и режущего элемента 60
2.1.1.5. Сопротивление на лезвии режущего элемента фронтального ножа 62
2.1.1.6. Сопротивление на лезвии режущего элемента бокового ножа 62
2.1.1.7. Сопротивления на фаске режущего элемента бокового ножа 63
2.1.18. Силы нормального давления и трения на боковой и тыльной стороне режущего элемента бокового ножа 67
2.1.2. Энергозатраты на отделение кормового блока 67
2.1.2.1. Энергетические затраты на резание 68
2.2. Выводы 75
3. Программа и методика экспериментальных исследований
3.1. Исследования физико-механических свойств силоса и сенажа 76
3.1.1. Программа исследований 76
3.1.2. Методика исследований физико-механических свойств силоса и сенажа 77
3.1.3. Определение удельного сопротивления резанию кормового массива 81
3.2. Методика проведения лабораторно-полевых экспериментальных исследований 92
3.2.1. Программа исследований 92
3.2.2. Экспериментальная установка 93
3.4. Тарирование средств измерения 97
3.4.1. Определение погрешности средств измерения 97
3.5. Методика обработки опытных данных 102
3.6. Выводы 104
4. Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний
4.1. Результаты исследований физико-механических свойств силоса и сенажа 105
4.1.1. Плотность и влажность силоса и сенажа 105
4.2.1. Удельное сопротивление резанию кормового массива 107
4.2. Результаты экспериментальных исследований 107
4.3. Результаты производственных испытаний погрузчика 112
4.3.1. Технологический процесс блочно-порционной выемки консервированных кормов 112
4.3.2. Анализ времени рабочего цикла погрузчика 113
4.4. Экономическая эффективность производства и использования нового погрузчика 117
4.5. Выводы 126
Общие выводы 127
Список использованных источников 129
Приложения 140
- Механизированные средства для выемки консервированных кормов
- Сопротивление на фасках несущих зубьев и режущих элементов от сил трения фронтального ножа
- Методика исследований физико-механических свойств силоса и сенажа
- Удельное сопротивление резанию кормового массива
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших отраслей сельского хозяйства, удовлетворяющих потребности населения в продуктах питания и обеспечивающих сырьем различные отрасли промышленности, является животноводство. Его продуктивность напрямую зависит от кормовой базы и полноценного, сбалансированного по всем необходимым питательным веществам рациона кормления животных. Консервированные корма являются неотъемлемой частью рациона крупного рогатого скота. Наиболее распространенные способы заготовки их – силосование и сенажирование. Силос и сенаж в России и за рубежом закладывают преимущественно в наземные облицованные траншейные хранилища.
Для сохранности питательных веществ консервированных кормов на стадии их скармливания выемку необходимо производить механизированными средствами, отвечающими агрозоотехническим требованиям. В России на данной операции широко применяются универсальные грейферные и фронтальные погрузчики. Они имеют существенный недостаток – нарушают плотность остающегося в хранилище массива на значительную глубину, создавая условия для вторичной ферментации корма.
В сельскохозяйственной практике европейских стран широкое распространение получила выемка силоса и сенажа отрезанием в виде блоков. В технологической зоне выемки плотность остающегося в хранилище корма не нарушается, уменьшаются и его потери из-за вторичной ферментации.
Широкое применение погрузчиков для вырезания блоков сдерживается в связи с недостаточной изученностью технологической операции их отделения. Поэтому задача разработки и совершенствования погрузочных средств для отделения силоса и сенажа в виде блоков для отечественной сельскохозяйственной практики является своевременной и актуальной.
Работа выполнена в соответствии с планом развития Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. рег. 84005200), с комплексной темой № 4 НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» «Разработка технического обеспечения аграрных технологий, раздел № 5 «Обоснование процессов и средств погрузки для аграрных технологий», хозяйственным договором с ОАО «Сальсксельмаш».
Цель работы. Повышение эффективности технологического процесса блочно-порционной выемки консервированных кормов из траншейных хранилищ путем разработки и обоснования параметров рабочего органа погрузчика.
Объект исследований. Технологический процесс блочно-порционной выемки консервированных кормов из траншейных хранилищ погрузчиком, оснащенным рабочим органом отрезающего типа.
Предмет исследований – зависимости, характеризующие технологический процесс отделения консервированных кормов и отражающие связь энергозатрат с геометрическими параметрами рабочего органа и физико-механи-ческими свойствами материала.
Методика исследования предусматривает разработку теоретических положений процесса отделения кормового блока и экспериментальное их подтверждение в лабораторно-полевых и производственных условиях. Теоретические исследования проводились на основе известных законов и методов классической механики и математического анализа. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов тензометрирования с последующей обработкой результатов при помощи законов математической статистики с применением ЭВМ.
Научная новизна. Получены аналитические выражения для определения сопротивления резанию и энергозатрат на операцию отделения с учетом физико-механических свойств материала, геометрических и режимных параметров режущего механизма, экспериментальные зависимости энергозатрат процесса резания. Определены удельные сопротивления резанию силосного массива в зависимости от угла наклона режущей кромки. Предложена новая конструктивно-технологическая схема рабочего органа для блочной выемки консервированных кормов (патент РФ № 2294616).
Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы научно-исследовательскими институтами, конструкторскими бюро и машиностроительными заводами при разработке погрузчиков для выемки консервированных кормов. Производственный образец рабочего органа погрузчика для блочной выемки силоса и сенажа испытан в СПК «Прогресс» Неклиновского района Ростовской области.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы при проектировании рабочих органов универсальных фронтальных погрузчиков ПКУ-0,8, ПБМ-800, ПБМ-1200 и их серийном производстве в ОАО «Сальсксельмаш» (п. Гигант Сальского района Ростовской области).
Апробация. Основные положения диссертации доложены и одобрены на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора В.Г. Кобы (20–21 марта 2006 г.), Саратов, 2006, Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения профессора Александра Григорьевича Рыбалко 11–12 июля 2006 г., Саратов, 2006, Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения» – 2008, 2009, научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» (2005–2010 гг.), техническом совете ОГК ОАО "Сальсксельмаш", п. Гигант Ростовской области, 2007 г, где получили одобрение и рекомендации к дальнейшему их внедрению в производство. Результаты работы экспонировались на Международной агропромышленной выставке "Золотая осень", 2007–2009 гг. в г. Москва.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ общим объемом 1,36 п. л., из них лично соискателю принадлежит 0,88 п.л. Имеется одна статья в издании, рекомендованном ВАК РФ, и два патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 61 рисунок, 10 приложений. Список использованной литературы включает 101 наименование, из них 4 на иностранных языках.
Механизированные средства для выемки консервированных кормов
В России наряду с ручным трудом для выемки силоса и сенажа из траншейных хранилищ применяются механизированные средства как отечественного, так и зарубежного производства. Универсальные фронтальные погрузчики с вилами или грейферными захватами (рис. 1.9—1.11), выпускаемые промышленностью, имеют высокую производительность и по-прежнему являются наиболее доступными для большинства хозяйств. Их применение, в отличие от ручного способа, разуплотняет оставшуюся часть кормового массива в зоне выемки на достаточно большую глубину, что приводит к окислению корма и его вторичной ферментации. Использование ручного труда и вышеназванных погрузочных средств отрывающего типа следует рассматривать как вынужденную меру.
Наиболее полно требованию сохранности качества консервированных кормов при выемке из хранилищ отвечает способ фрезерования [38]. Среди механизированных средств, работающих по данной схеме, достаточно большое распространение получили ковши с дополнительным барабаном фрезерующего типа (рис. 1.12). Отделение корма происходит за счет вращательно-поступательного движения фрезбарабана, рабочая поверхность которого снабжена режущими элементами, дополнительно измельчающими корм. Поверхность остающегося кормового массива после выемки данным рабочим органом соответствует агрозоотехническим требованиям — остается ровной без нарушения плотности.
Главным недостатком работы механизированных средств фрезерующего типа является высокая энергоемкость процесса отделения. Практический опыт зарубежных стран в применении механизирован ных средств для выемки силоса и сенажа из траншейных хранилищ в виде блоков вызывает повышающийся спрос у отечественных сельхозтоваропро изводителей на машины, работающие по такой схеме. Это объясняется их достаточно высокой производительностью и универсальностью. Одно из ос новных достоинств блочно-порционной выемки — соответствие агрозоотех ническим требованиям, предъявляемым к погрузочным машинам, применяе мым на выемке корма и погрузке его в транспортное средст во. С применением устройств для вырезания кормовых блоков растет воз можность регулирования технологии кормления крупного рогатого скота в зависимости от состава стада, наличия техники и кормораздаточного обору дования, а также расположения животноводческих помещений.
Рабочие органы для блочной выемки (рис. 1.13-1.16) навешиваются на переднюю фронтальную навесную систему трактора, механизм задней навески, а также фронтальную телескопическую стрелу. Объем вырезаемых блок-порций колеблется от 0,6 до 3,0 м [39].
Устройства работают следующим образом. Напором трактора установленные на несущей раме горизонтально ориентированные вилы внедряются в кормовой массив. Режущие органы отделяют корм от массива с трех сторон в виде прямоугольной призмы. Захваченная порция отрывается по основанию подъемом стрелы погрузчика или запрокидыванием вил и перемещается в транспортное средство.
Наибольшее распространение получили рабочие органы «откусывающего типа», производимые зарубежными фирмами, такими как «Bressel und Lade», «STOLL», «Valtra», «PARMITER» [40-43]. Их типоразмерный ряд представлен в таблице 1.5. Такой погрузчик состоит из вертикальной рамы, на нижнем брусе которой закреплены вилы, а вертикальных стойках - П-образная рамка с жестко закрепленными на ней фронтальным и двумя боковыми режущими элементами
Сопротивление на фасках несущих зубьев и режущих элементов от сил трения фронтального ножа
Найдем точку приложения ф нормальной силы обжатия на фаске несущего зуба и режущего элемента и силу трения на фаске (рис. 2.6). Рассмотрим несущий зуб. Так как эпюра нормального давления кормового массива является треугольной призмой, то положение центра давления D$ можно найти геометрическим построением. Проводим отрезок ЕЕ , параллельный ребрам А А и ВВ и равноудаленный от них. Точка D лежит на этом отрезке, причемРассмотрим режущие элементы бокового ножа ковша и найдем коэффициенты трансформации угла заточки для разных элементов. Выберем систему координат 0\x\y\Z\, как показано на рисунке 2.8, ось z\ направлена перпендикулярно плоскости рисунка. Полагаем, что при полном погружении кромки АВ в корм сила резания лезвием Fp6 боковой части приложена в точке
Е, которая находится в середине кромки АВ. Размеры L\, L2, L3, Н- заданы; выразим через них координаты точки Е
Затраты энергии на погрузку консервированного корма включают в себя энергоемкость основных и вспомогательных операций, манипулирования с грузом от отделения до погрузки его в транспортное средство. Принимая, что затраты энергии на транспортирование корма погрузчиком от участка отделения до транспортного средства приблизительно равны, рассмотрим энергоемкость операции отделения. Анализ рабочего процесса отделения корма в виде блоков показывает, что энергия расходуется на внедрение вил в кормовой массив, на отрезание блока силоса или сенажа от массива, на отрыв отрезаемого блока по основанию [88]. В общем виде энергозатраты отделения блока определяются выражением:где Ев- затраты энергии на внедрение вил в кормовой массив, Дж; Ер затраты энергии на отрезание блока, Дж; Е0— затраты энергии на отрыв блока, Дж.
В предыдущем разделе были определены векторы сил резания лезвием, векторы сил нормального давления и трения для несущих зубьев и режущих элементов фронтального и боковых ножей ковша. Найдем работу этих сил при вращательном движении ковша. Обозначим П\П2 — поверхность корма (см. рис. 2.8). Процесс резания начинается, когда точка В режущей кромки бокового режущего элемента касается поверхности П\П2 корма. Происходит резание боковым режущим элементом, и по достижении точки А касается поверхности П\Пі, в процесс вступают зубья фронтального ножа. Резание заканчивается, когда боковой режущий элемент опускается на глубину hn.
Рассмотрим обращенное движение: ковш считаем неподвижным, тогда среда вращается относительно оси 0\Z\ (рис. 2.10). Рассмотрим одну из сил, например, силу резания лезвием бокового ножа .Ррбок. Для краткости формул верхний и нижний индексы опустим и эту силу обозначим F .
В момент касания кромки лезвия АВ поверхностью корма ПхП2 точка приложения Е этой силы совпадает с точкой В. Затем при вращении среды точка Е перемещается по кромке АВ. На рисунке 2.10 показано промежуточное положение этой точки Ещ. Точка Е окончательно займет положение в середине отрезка АВ, когда поверхность корма пересечет конец А лезвия. До этого момента координаты точки Е, модуль силы F и ее направление изменяются, а затем сохраняют постоянное значение до окончания вращения среды.
Методика исследований физико-механических свойств силоса и сенажа
На основании поставленной в работе цели и сформулированным на ее основании задачам выбираются методы исследования
Полученные теоретические положения проверялись экспериментально-производственных исследованиями в траншейных хранилищах консервированных кормов в естественных условиях. Программа исследований предусматривала определение физико-механических и технологических свойств силоса и сенажа, проведение лабораторно-полевых исследований и производственных испытаний.
Лабораторно-полевые исследования проводились в ЗАО «Кудашевский конезавод» Базарнокарабулакского района Саратовской области.
3.1. Исследования физико-механических свойств силоса и сенажа
3.1.1. Программа исследований
Для обоснования конструктивных параметров грузозахватного органа погрузчика для блочной выемки консервированных кормов необходимо изучить их физико-механические свойства: влажность, плотность, сопротивление резанию, сопротивление сжатию, коэффициент трения.
Объектом исследований были кукурузный силос и сенаж из эспарцета и викоовсяной смеси, заложенных в наземные облицованные траншейные хранилища длиной 60 м, шириной 24 м и высотой 3,5 м. Исследование физико-механических свойств корма проводилось непосредственно на массиве в траншейном хранилище.
Программой исследований физико-механических свойств консервированных кормов предусматривалось определение влажности, плотности корма, коэффициента трения и удельного сопротивления резания
Исследования плотности и влажности силоса и сенажа определялись согласно рекомендациям [6,8].
Плотность определялась взвешиванием объема отделенного корма. Для этого использовали специальное приспособление, представляющее собой массивное основание с приваренными к нему угловыми ребрами, свободные концы которых остро заточены. Размеры навески в 0,17x0,17x0,2 м. Приспособление забивалось на предварительно подготовленном горизонтальном участке кормового массива с ровной поверхностью не имеющей повреждения первоначальной плотности.
Плотность корма определялась по общеизвестной зависимости) где р - плотность консервированного корма, кг/м ; ти — масса навески, кг; Vu — объем навески, м . Влажность определяли методом высушивания навески до постоянной массы. Навески в 2...3 г помещали в алюминиевые бюксы и высушивали в сушильном шкафу СЭШ-ЗМ при температуре 130 + 5 С в течение часа [6]. После охлаждения навески взвешивались. Относительную влажность определяли по выражению w=m mi Ю0%, (3.2) где т\ - масса бюкса с консервированным кормом до сушки, г; тг — масса бюкса с консервированным кормом после сушки, г; т — масса бюкса, г. Плотность и влажность корма определяли в трехкратной повторности по высоте массива от основания через каждый метр.
Определение коэффициента трения производилось с помощью установки ТМ 21 А.
На наклонной плоскости (рис. 3.1) располагается фрагмент исследуемого материала (силоса или сенажа) с силой тяжести G . Эта сила раскладывается на составляющие: нормальную к плоскости - G COS а и параллельную плоскости - G sin а, которая является движущей силой. Нормальная реакция силы N равна по модулю G COS а. При равномерном перемещении вниз движущая сила Gsina равна по модулю силе трения/ .
Удельное сопротивление резанию кормового массива
В результате проведенных исследований по изучению технологических свойств кормового массива получены графические зависимости (рис. 4.2, 4.3) изменения глубины внедрения экспериментальных ножей и удельного сопротивления резанию от угла наклона режущей кромки ножа. Эти зависимости описывается уравнениями
h = -0,002666 Є3 + 0,194000 Є2 - 4,963333 0 + 56,300000 . (4.3)
оп = 0,0021333 Є3 - 0,1540000 Є2 +3,71666660-19,4999999. (4.4)
Руд ч Таким образом, удельное сопротивление резанию, которое складывается из сопротивления сжатию кормового массива, сил трения, возникающих на фаске и боковых поверхностях ножа, и сопротивления резанию, по ре-зультатам исследований составило — 8,8... 11 Н/мм .
Программой экспериментальных исследований предусматривалось изучение процесса резания кормового массива режущими элементами сегментной формы с различным углом наклона режущей кромки, определение зависимости усилия резания от угла наклона режущей кромки и остроты режущего элемента, а также определение оптимальных параметров конструкции режущих элементов.
Экспериментальные ножи, разработанные на основании теоретических изысканий, перед проведением экспериментов проверялись на работоспособность. Острота лезвия режущих элементов ножей доводилась вручную до значения - 0,1 мм, так как она является наиболее важным из всех геометрии ческих параметров, оказывающих существенное влияние на качество резания и определяющих силовое воздействие лезвия на материал.
Методика планирования экспериментов позволила определить интерполяционную зависимость усилия резания от угла наклона режущей кромки (рис. 4.4). Полученная зависимость описывается интерполяционным выражением (4.5.
Fp =4,219999-0,176888а + 0,003111а2 -0,000019а3, (4.5)
Зависимость энергозатрат на резание от угла наклона режущей кромки (рис. 4.5) описываются интерполяционным выражением (4.6).
ЕР = 1847,50 - 72,555555а + 1,244444а2 - 0,000019а3, (4.6)
Таким образом, выявленные зависимости энергозатрат на резание силосного массива от геометрических параметров режущего элемента описываются полиномами третьей степени.
Снижение сопротивления резанию кормового массива с увеличением угла наклона связано с эффектом кинематической трансформации угла заточки и остроты лезвия. Из конструктивных соображений и технологичности рабочего органа наиболее рациональным представляется величина угла наклона 60 .
Наиболее значимыми геометрическими параметрами режущего органа, определяющими силовое воздействие на материал, являются острота лезвия и угол его наклона. Для определения энергозатрат на технологическую операцию отделения кормовой порции от массива ножом были проведены эксперименты с остротой режущей кромки 0,1 мм и углом наклона режущих элементов 60 . По результатам построена зависимость энергозатрат на отделение силоса кукурузного (рис. 4.6).
Производственные испытания сменного рабочего органа к фронтальному универсальному погрузчику для выемки силоса и сенажа отрезающего типа, целью которых являлось определение технико-экономических показателей погрузчика, проводились в СПК «Прогресс» Неклиновского района Ростовской области.
Программа испытаний включала в себя следующие мероприятия:
- испытание погрузчика в холостом режиме;
- испытание погрузчика на выемке консервированных кормов из траншейных хранилищ;
— определение продолжительности погрузочного цикла и производительности погрузчика на выемке силоса и сенажа.
В процессе испытаний (рис. 4,7 - 4,12) производилась выемка силоса кукурузного и сенажа из травяной смеси, заготовленных в наземные облицованные траншейные хранилища размерами 75x24x2,5 м. Погрузка осуществлялась в кормораздатчики универсальные КТУ-10А и грузовые автомобили-самосвалы ГАЗ САЗ-53Б. Фактический объем погруженного за период испытаний корма составил: силоса — 4100 т и сенажа — 2030 т. Габаритные размеры блок-порции 1750х650х700 мм, а средняя масса отделяемой порции корма составила 530 кг.
