Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Краткий обзор приемов и методов силосования стебельного сырья в хранилищах различной конструкции 9
1.2 Анализ факторов, влияющих на качество силосования кормов 23
1.3 Технология и технические средства уплотнения силосуемой массы ударной нагрузкой 32
1.4 Выводы из главы 1 37
1.5 Цель и задачи исследования 39
2 Теоретические исследования 40
2.1 Расчет конструкции малообъемных силосохранилищ 40
2.2 Исследование процесса самоуплотнения (усадки) силосной массы в малообъемных хранилищах 48
2.3 Исследование процесса уплотнения листостебельного материала под действием ударной нагрузки 53
3 Программа и методика экспериментального исследования ...: 62
3.1 Общие положения и программа исследования 62
3.2 Последовательность сооружения малообъемных силосохранилищ .. 63
3.3 Методика приготовления силосованных кормов в малообъемном хранилище 68
3.4 Методика исследования процесса уплотнения листостебельного материала под действием ударной нагрузки и обработки полученных результатов 72
3.5 Описание экспериментальной установки, устройств и приборов... 76
4 Результаты экспериментальных исследований 83
4.1 Закономерности уплотнения листостебельной массы под действием ударной нагрузки 83
4.2 Влияние длины резки и влажности материала на процесс уплотнения силосуемой массы ударной нагрузкой 91
5 Результаты производственной проверки технологии и технических средств приготовления силосованных кормов в малообъемных хранилищах 97
5.1 Результаты производственных наблюдений 97
5.2 Расчет удельных энергозатрат на приготовление силоса и сенажа в малообъемных хранилищах 100
5.3 Технико-экономическая оценка предложенной технологии и экономическая эффективность внедрения результатов исследования... 108
Общие выводы и предложения 119
Список использованной литературы 121
Приложения
- Краткий обзор приемов и методов силосования стебельного сырья в хранилищах различной конструкции
- Расчет конструкции малообъемных силосохранилищ
- Последовательность сооружения малообъемных силосохранилищ
- Закономерности уплотнения листостебельной массы под действием ударной нагрузки
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время значительная часть поголовья скота содержится в малых фермерских, крестьянских и личных подсобных хозяйствах (ЛПХ). По данным Ассоциации крестьянских хозяйств и сельскохозяйственных кооперативов, в перечисленных выше формах хозяйств Ставропольского края содержится 42% от общего поголовья КРС, в том числе 54% дойных коров, 56% свиней, 28% овец и коз, до 62% прочего скота. Названные цифры типичны и для других регионов степной зоны юга России.
В ряде случаев основным, а иногда единственным источником дохода в семейных крестьянских хозяйствах является производство и реализация продукции приусадебного животноводства - молока, мяса, яиц, невыделанных овчин и шкур скота, шкурок неплотоядных пушных зверей.
По результатам опросов, выполненных службами органов местной администрации в Ставропольском и Краснодарском краях, Ростовской области и в некоторых республиках Северного Кавказа, основным фактором, ограничивающим рост поголовья скота в крестьянских хозяйствах и сдерживающим увеличение производства продукции животноводства, является нехватка кормов и несбалансированность рационов по содержанию питательных веществ. Дефицит кормов обостряется в зимнее время и приводит к выраженным сезонным колебаниям численности поголовья и продуктивности скота. По мнению специалистов, сложившееся положение во многом является следствием того, что из рациона скота приусадебного содержания фактически выпали наиболее эффективные и дешевые сочные корма зимнего периода, а именно силос из кукурузы и подсолнечника, сенаж из однолетних и многолетних трав.
Силос и сенаж приготавливают и хранят в типовых горизонтальных силосохранилищах (ГСХ) большого объема, расположенных при животноводческих фермах и комплексах. Приобретение этих кормов или получение их в счет оплаты услуг владельцами крестьянских хозяйств носит эпизодический характер. Кроме того, использованию подвозного силоса или сенажа препятствуют, во-
5 первых, организационные сложности и существенные транспортные расходы, связанные с регулярной доставкой корма от мест хранения до усадьбы ЛПХ. Во-вторых, нарушается условие неразрывности временной цепи «силосный бурт - кормушка», в соответствии с которой, извлеченный из бурта силос не подлежит хранению и должен быть скормлен скоту в течение непродолжительного времени, так как при плюсовой температуре воздуха корм быстро окисляется, а при минусовой - промерзает.
Подсчитано, что потребность единичного ЛПХ в силосе в зимний период составляет от 5 до 40 т. Заготовить указанные объемы силоса возможно путем закладки его в малообъемные приусадебные хранилища. Однако типовых проектов малообъемных хранилищ для силоса и сенажа на настоящее время нет. Соответственно нет и технологий ускоренного силосования ограниченной массы сочных кормов, не определены и не известны оптимальные режимы закладки небольших объемов растительных материалов. Нет и технических средств для уплотнения корма в приусадебных хранилищах малого объема.
Исходя из изложенного, сформулированы цель и задачи исследования.
Целью работы является совершенствование технологического процесса и обоснование технических средств приготовления силосованных кормов в малообъемных приусадебных хранилищах.
Задачи исследования:
обосновать типоразмерный ряд и разработать рациональную конструкцию малообъемных приусадебных силосохранилищ;
составить алгоритм расчета объема, размеров и других параметров малогабаритного силосохранилища, а также потребности в материалах на его сооружение;
рассмотреть характер самоуплотнения (усадки) силосной массы в малообъемном хранилище и получить закономерности уплотнения силосуемой массы под воздействием ударной нагрузки;
разработать и предложить технологию скоростной закладки силоса в малообъемных приусадебных хранилищах;
- определить энергетические, трудовые и материальные затраты на приготовление силосованных кормов и осуществить проверку предложенных конструктивно-технологических решений в условиях крестьянских (фермерских) хозяйств.
Объектом исследования явились технология, оборудование и средства механизации производства силосованных кормов.
Предмет исследования - закономерности технологических процессов и качественные характеристики технических средств приготовления силосованных кормов в малообъемных приусадебных хранилищах.
Методологическая и теоретическая основа исследования заложена научными трудами отечественных и зарубежных исследователей, посвященных разработке технологий и средств механизации приготовления силоса, проф. А.А.Зубрилина, И.Я.Автомонова, П.Т.Колесникова, А.М.Семенихина, Г.Г.Маслова, О.Г.Ангилеева, В.Д.Батищева, Н.П.Алексеенко, В.Г.Короткова, В.А.Карпенко, В.Кирша, Г.Г.Гильдебрандта, Г.Лаубе, В.Шмидта, Г.Веттерау, Ф.Вайбаха и других.
При теоретическом и экспериментальном исследовании закономерностей деформации органических материалов под воздействием приложения ударной нагрузки использовались труды акад. В.П.Горячкина, Г.К.Васильева, В.З.Васильева, В.И.Особова, Н.Я.Хархута и других.
При выполнении работы использовались методы системного анализа и исследования операций, натурного моделирования, сравнений и аналогий, математической обработки результатов наблюдений, а также программные средства персональных компьютеров.
Рабочей гипотезой исследования явилось предположение, что возможно низкозатратное, энерго- и трудосберегающее приготовление качественных силосованных кормов в малообъемных приусадебных хранилищах крестьянских, фермерских и личных подсобных хозяйств. Этого можно достичь путем выполнения комплекса технологических и технических мероприятий, включающих сооружение малообъемного хранилища рациональной конструкции, создания
7 условий для самоуплотнения массы с послойным принудительным уплотнением ее ударной нагрузкой, скоростное выполнение всех работ - от скашивания массы в поле до герметизации хранилища - в течение одного светового дня или нескольких часов.
Научная новизна работы заключается в разработке и научном обосновании предложений по обновлению технологии силосования кормов в малообъемных приусадебных хранилищах; разработке алгоритма и программного обеспечения выбора параметров конструкции малообъемных силосохранилищ; установлении закономерностей распределения кинетической энергии стесненного удара; определении и математическом описании характеристик процесса уплотнения стебельных материалов под воздействием ударной нагрузки, энергетической оценке закладки силосуемых кормов в малообъемные хранилища.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
типоразмерный ряд и алгоритм расчета параметров малообъемных приусадебных силосохранилищ;
закономерности процесса уплотнения силосуемой растительной массы под воздействием ударной нагрузки;
предложения об уменьшении энергетических затрат на приготовление силосованных кормов в условиях крестьянских, малых фермерских и личных подсобных хозяйств.
Практическая значимость работы состоит в разработке технологии и обосновании технических средств скоростного приготовления качественных силосованных кормов в малообъемных приусадебных хранилищах, предназначенных для крестьянских, фермерских и личных подсобных хозяйств, где на настоящее время содержится основное поголовье дойных коров, крупного рогатого скота и свиней.
Установленные закономерности уплотнения растительной массы под воздействием приложения ударной нагрузки могут явиться основанием для разработки и усовершенствования ручных механических устройств уплотнения кормов в малообъемных силосохранилищах.
Предложенный типоразмерный ряд малообъемных хранилищ и алгоритм расчета их параметров могут быть использованы проектными организациями при проектировании приусадебных построек животноводческого назначения.
Реализация результатов работы выполнена в крестьянских, фермерских и личных подсобных хозяйствах Александровского, Грачевского, Новосе-лицкого, Шпаковского районов Ставропольского края, Лабинского района Краснодарского края.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях СтГАУ (1999-2003 гг.), Российских научно-практических конференциях по физико-техническим проблемам создания новых технологий в АПК (г. Ставрополь, 2002-2003 гг.), заседании Ассоциации крестьянских, фермерских и кооперативных хозяйств Ставропольского края (2002 г.). Диссертация рассмотрена и рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры «Машины и технологии в животноводстве» Ставропольского ГАУ и сотрудников Ставропольского НИИ животноводства и кормопроизводства.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и предложений, списка литературы и приложения.
Краткий обзор приемов и методов силосования стебельного сырья в хранилищах различной конструкции
Первые сведения о силосовании сочных травосмесей в земляных ямах относятся к античным временам. Консервирование зеленых трав и мешанок практиковалось и в средневековой Европе. Согласно Г.Краузе [111], силосные ямы устраивались в глинистой почве и в вертикальном разрезе имели форму трапеции, короткая сторона которой служила основанием. Внутри такие ямы обшивались досками для предотвращения вытекания сока и лучшего оседания кормовой массы. В качестве главного условия успешного консервирования указывалась плотная укладка силосуемой массы и вытеснение воздуха. Заполненная яма покрывалась досками, поверх которых насыпался слой сырой глины.
В сельскохозяйственном словаре Кирхгофа (Германия, 1839) о силосованном травяном корме, который в то время назывался «кислым сеном», говорится следующее: «...а) это прекрасный, здоровый и полезный корм для мясного и молочного скота, в особенности при переходе от зеленого корма к сухому и наоборот; б) корм может быть заготовлен в сырое, дождливое лето, когда возникают затруднения с сушкой сена; в) скармливание его улучшает работу кишечного тракта скота; г) этот корм не может пострадать ни от огня, ни от воды» [51].
Уже в 1859 году в Германском сельскохозяйственном ежегоднике предлагалось заменить наименование «кислое сено» на «силаж» - консервированный корм из свежескошенных трав [51].
Повышенный интерес к силосованию наблюдался накануне начала первой мировой войны и связан со стремлением Германии уменьшить свою зависимость от заграничных поставок кормовых и пищевых продуктов. Тогда же развернулась дискуссия о преимуществах и недостатках «холодного» и «горячего» способов силосования. При «холодном» силосовании применяется комплекс мероприятий, в результате выполнения которых, самонагревание корма ограничивается повышением температуры сырья лишь на 6-10С против исходной. При «горячем» способе силосования, за счет использования сырья пониженной влажности и рыхлой укладки его, происходит быстрое самонагревание массы до 45-55С и относительно медленное остывание ее.
После войны интерес к консервированию сочных кормов не снизился. В 1923 году в Германии был основан «Союз поощрения консервирования кормов», который централизованно получал государственные средства в форме специального «силосного кредита» [51]. Заслугой Союза явилось также повсеместное создание в Германии и в Восточной Пруссии «силосных товариществ», а также, в частности, финансирование деятельности проф. Г.Фельтца, который всесторонне исследовал вопросы приготовления силажа и физиологического влияния его на обмен веществ у животных. Он научно разрешил вопрос, при каком способе силосования происходят наименьшие потери переваримых питательных веществ и доказал преимущество «холодного» силосования перед другими способами консервирования трав.
Закладка «силажа» выполнялась в наземные, заглубленные или полузаглубленные ямы (силоса) размерами 2,0x2,0x2,5 м или 3,0x3,0x3,0 м, емкостью 10 и 27 м3 соответственно. Дно и стены ямы-силоса выкладывались кирпичом или железобетоном и штукатурились цементным раствором. Несколько силосных ям, сблокированных в батарею, показаны на рис. 1.1.
Подвозимая с поля растительная масса измельчалась барабанными силосорезками, причем наилучшей считалась мелкая резка. Уплотнение массы с целью предотвращения пустот в корме выполнялось вручную либо с использованием лошадей (рис.1.2).
Фермеры США быстро оценили преимущества силосования кормов и, согласно данным М.Налля и В.Гартмана [112], уже в 1926 году в штате Висконсин имелось 1 ПО силосов башенного типа. Авторы подразделяют их на бетонные, каменные и деревянные, причем отдают предпочтение первым, как имеющим меньшие издержки на амортизацию и ремонт. Один из таких силосов показан на рис. 1.3. Деревянная надстройка над ним выполнена для более полного использования дорогостоящей железобетонной части башни. Загрузка башни осуществлялась барабанной силосорезкой в комбинации с вентилятором и металлическим воздуховодом.
Бум в строительстве и использовании башенных силосохранилищ в США объясняется и тем, что здесь впервые в массовом порядке стали готовить, так называемый, «сладкий силос» из кукурузы. Опыты по изучению техники силосования кукурузы и установлению коэффициентов переваримости ее проводились и в России [83].
В сельском хозяйстве США за сравнительно короткий срок кукурузный силаж превратился в важный и незаменимый корм для всех видов животных. Так, Генри и Моррисон [109] пишут: «Благодаря кукурузному силажу, представляется возможным иметь в течение всей зимы однородный сочный корм высокого качества. Многими фермерами установлено, что силаж можно скармливать также и летом с большим хозяйственным успехом, чем корм с выгорающих пастбищ. Достоинства кукурузного силажа заключаются в том, что при силосовании потери питательных веществ меньше, чем при обыкновенном высушивании растений, поедаемость его животными лучше, чем сухой кукурузы, кормовых отходов меньше, а количество молока, получаемое от равных весовых частей сухого вещества в форме кукурузного силажа больше, чем при кормлении сухой кукурузой». Последнее наглядно видно из сопоставления данных американских опытных станций (табл.1.1).
Распространению башенных силосохранилищ способствовал и тот факт, что фирмы-изготовители США смогли получить государственный заказ на их строительство и оснащение, а фермеры получали их в кредит с 15-летней рассрочкой выплаты.
Спустя несколько лет сходных условий добились и фирмы-изготовители башенных кормохранилищ во Франции, Германии и в некоторых других европейских странах. За короткие сроки в Европе было построено около миллиона башенных силосохранилищ, которые стали привычным элементом сельского пейзажа. В последующие бурные десятилетия многие из них были уничтожены или снесены за отсутствием хозяйственной надобности.
Однако в настоящее время, большинство сохранившихся башен, особенно довоенной постройки, взяты под охрану как промышленные памятники и элемент сельскохозяйственного пейзажа.
Выявились и некоторые общие недостатки башенных хранилищ, не зависящие от особенностей той или иной конструкции их. Во-первых, вследствие того, что в период уборки трав стенки башен хорошо прогревались солнцем, а измельченный материал, насыпаемый рыхлым слоем, быстро терял влагу, башни в большей степени подходили для проведения «горячего» способа силосования, чем «холодного». Во-вторых, в зимний период при минусовых температурах воздуха башни чрезмерно охлаждались, корм примерзал к стенкам и выводил из строя разгрузочные устройства и механизмы. Попытка хотя бы частично утеплить металлическую башню, обложив нижнюю часть ее подстилочным навозом, показана на рис. 1.4.
Расчет конструкции малообъемных силосохранилищ
Малообъемные приусадебные хранилища вместимостью до 54 т силоса и сенажа и большегабаритные прифермские хранилища вместимостью от 500 т и выше занимают свою технологическую нишу в системе кормопроизводства и кормоприготовления. Поэтому противопоставление их друг другу, как и сравнение их характеристик, строго говоря, не корректно. Сравнительное сопоставление хранилищ и оценка параметров правомочны лишь в пределах своего ти-поразмерного ряда. Это является исходным условием, с учетом которого выполнены оценка хозяйственной целесообразности и обоснованности конструкции рассматриваемых кормохранилищ.
Нами принята следующая последовательность обоснования и расчета малообъемных приусадебных хранилищ: - выбор типа; - составление типоразмерного ряда; - расчет основных параметров; - составление алгоритма расчета параметров малообъемного силосохранилища и потребного количества строительных и укрывных материалов; - расчет приведенных показателей на расчетный параметр (тонну корма).
Выбор шага типоразмерного ряда принят из расчета содержания кратного поголовья скота: 1) дойных коров с суточным потреблением 17-20 кг силосованного корма на 1 голову (2,2-3,0 т в год); 2) откормочного молодняка КРС с суточным потреблением 12-15 кг силоса на 1 гол. (1,5-2,0 т в год) при общей продолжительности стойлового периода в 120-150 дней; 3) а также овец, свиней и рабочих лошадей (см. табл. 1-14 приложения 2).
Расчет основных параметров силосохранилищ. Объем и вместимость, соответствующие принятому типоразмерному ряду, приведены в нижней части табл.2.1.
В качестве примера пунктирными линиями показано, что при годовой потребности ЛПХ в 30 т силоса и плотности закладки корма 0,60 т/м3, необходимый объем хранилища составит 50 м3. Второе ограничение накладывается предельно допустимой шириной хранилища. Она установлена равной 3,0 м, исходя из величины основания конуса (пирамиды) естественного распределения растительной резки выгружаемой насыпом из кузова саморазгружающихся транспортных средств. При такой ширине хранилища потребуется минимум трудозатрат на ручное перераспределение (выравнивание) силосуемого сырья.
Нами разработан алгоритм расчета параметров малообъемного силосохранилища и потребности в материалах на его сооружение.
В качестве исходных данных приняты суточная дача силоса qf на 1 голову для /-го вида скота [43, 45,46, 87]. Нормы кормления силосом сведены в таблицы (табл. 1-14 приложения 2) для следующих видов и групп скота: - КРС: коровы с различной живой массой и удоем; телки с учетом возраста и живой массы; телята различных возрастов средних по массе молочно-мясных и молочных пород, крупных по массе молочно-мясных пород; племенные бычки с учетом возраста и живой массы; - овцы: овцематки холостые, суягные и подсосные; бараны производители и ремонтные, ярки и баранчики с учетом возраста; - свиньи: свиноматки холостые и подсосные с учетом живой массы; свиньи на откорме с учетом упитанности животных; хряки-производители, содержащиеся на концентратно-силосном типе кормления; - лошади: кобылы холостые, жеребые и подсосные; жеребята-отъемыши, годовики и двухлетки; рабочие лошади.
В исходные данные также включены: коэффициент к{, учитывающий потери силоса при отборе из хранилищ и раздаче корма; плотность силоса в хранилище pi , масса силоса Мад., закладываемая в приусадебное хранилище в течение одного дня; количество приусадебных хранилищ N (не более 2-х при соотношении их объемов в пределах 1 Q\/Q2 4); ширина b и высота (глубина) h хранилища; толщина бетонных стенок 5ст и днища %« хранилища. Их цифровые значения приведены в блок-схеме, а также в расшифровке буквенных обозначений и взяты согласно рекомендуемых норм [71, 72] и по результатам практики хозяйствования.
Последовательность сооружения малообъемных силосохранилищ
Внешние факторы, влияющие на обоснование и выбор технологии приготовления силосованного корма в малообъемном хранилище, представлены на рис.3.1. На погодные условия, исходное качество растительного материала и некоторые другие мы влиять не можем. На часть факторов мы можем оказывать ограниченное влияние. Это принятые технологии полевых и транспортных работ, имеющиеся конструкции силосохранилищ, практикуемые приемы использования корма. Часть внешних факторов могут меняться полностью или час-тично под воздействием технологии.
Факторы, влияющие на обоснование и выбор технологии приготовления силосованного корма в малообъемном хранилище К внутренним ограничениям технологии, во многом определяющим качество силосуемого корма, следует отнести продолжительность закладки массы в хранилище, степень ее уплотнения, степень изоляции кормовых материалов от неблагоприятного воздействия кислорода воздуха, осадков, перепада температур.
Исходя из изложенного, в программу исследования были включены: - обоснование условий и последовательности сооружения малообъемного приусадебного силосохранилища расчетной конструкции; - рассмотрение и создание условий для послойного уплотнения измельченной массы в малообъемном хранилище под воздействием ударной нагрузки; - обоснование условий и средств механизации скоростного выполнения всех технологических работ - от скашивания массы в поле до герметизации хранилища в течение одного светового дня или нескольких часов.
Критерием оценки предлагаемой технологии, отдельных элементов ее, рекомендуемой конструкции хранилищ и используемых технических средств является, прежде всего, качество приготавливаемого корма, а также энергетические, трудовые и материальные затраты.
Методика настоящего исследования предусматривает выполнение теоретических расчетов, проведение лабораторных экспериментов и натурной (хозяйственной) апробации предлагаемых приемов и методов в типичных условиях юга России.
Владельцу крестьянского, фермерского или личного подсобного хозяйства, содержащему поголовье скота и принявшему решение готовить силосованные корма на своем подворье, не следует начинать со строительства капитального силосохранилища. Нами рекомендовано первоначально опробовать свои силы и умение на приготовлении силоса в простейшем грунтовом хранилище, облицованном и укрытом синтетической пленкой. Стоимость сооружения такого хранилища во много раз дешевле, чем капитального аналогичных размеров, а отказ от дальнейшего приготовления и использования такого корма не будет связан с существенными осложнениями. Сооружение заглубленного силосохранилища и последующая закладка в него растительной массы не связаны с выполнением работ повышенной сложности, не требуют специальных знаний и навыков. Но выполнение названных работ требует аккуратности и соблюдения технологической дисциплины, не терпит расхлябанности, необязательности и произвольного отступления от требований, изложенных ниже.
Последовательность сооружения малообъемного грунтового силосохранилища (МГСХ) (траншейного, ямного) типа следующая. 1. Определение размеров силосохранилища. Исходя из потребности в силосованном корме, согласно алгоритма, изложенного в подразделе 2.1 или с использованием номограммы, представленной на рис.2.1, определяется объем и вместимость хранилища, его глубина, ширина и длина. 2. Выбор места под силосохранилище. Оно должно: - располагаться вблизи площадок выгула и кормления скота в осенне-зимний период; - находиться на возвышении или на ровной поверхности не подверженной подтоплению грунтовыми водами, стоком дождевых или талых вод (максимальный уровень подъема грунтовых вод должен располагаться на 1,0-1,5 м ниже дна хранилища); - иметь подъезд для грузового транспорта; - располагать площадкой для разгрузки подвозимой зеленой массы, непосредственно прилегающей к заглубленному хранилищу; - на месте сооружения хранилища не должно быть захоронений животных прошлых лет, мусорных ям и т.п. 3. Подготовка участка включает: - очистку территории от посторонних предметов, ненужных строений, деревьев, кустарника, трав; - отрывку по периметру участка водоотводной канавки; - подвод наружного освещения. 4. Сооружение заглубленной емкости (ямы) предусматривает: - отрывку полного профиля силосохранилища (ямы) тракторным экскаватором ЭО-2621А либо вручную с погрузкой извлеченного грунта в транспортные средства; - укладку части извлеченного грунта (примерно 10% от общего объема) в кучу, удаленную от хранилища не менее чем на 3,0 м с последующим укрытием ее кусками рубероида, пленки, шифера или другим материалом, во избежание размыва ее дождевыми осадками (рис.3.2); - выравнивание грунтовых стенок и очистка дна хранилища; - планировка площадки для разгрузки подвозимой зеленой массы. 5. Консервация хранилища заключается: - в размещении над траншеей (ямой) продуваемого покрытия шатрового типа, как это показано на рис.3.3, для предохранения хранилища от попадания осадков и иссушения стенок; - в ограждении заглубленного хранилища во избежание падения в него людей, скота, техники.
Закономерности уплотнения листостебельной массы под действием ударной нагрузки
На основании плана полного 3-х факторного эксперимента (табл.4.1) факторы варьировали на трех уровнях: - ги . 0,3, 0,5,0,7 м - толщина единичного уплотняемого слоя; - г,-: 0,6, 1,6, 2,6 Н-с - величина импульса силы, приходящегося на 1 см площади уплотняемой массы; - г„: 5, 15, 25 - число ударных воздействий.
Величина импульса силы в требуемых уровнях варьировалась изменением массы штемпеля и высоты его падения. Импульс в / = 0,6 Н-с обеспечивался свободным падением штемпеля массой т = 12,0 кг с высоты Н= 0,1 м. Импульс величиной 1,6 и 2,6 Н-с получали соответственно при падении штемпеля массой 23,0 кг с высоты 0,2 м и 30,0 кг с высоты 0,3 м. Площадь основания штемпеля равна Suim = 276,3 см2.
Процесс уплотнения листостебельной массы под действием ударной нагрузки рассматривается нами как состоящий из двух этапов - предварительное уплотнение и собственно уплотнение. Предварительное уплотнение происходит в первые 5-6 воздействий преимущественно за счет снижения пористости при перемещении частиц растений относительно друг друга (необратимая деформация) и носит неустановившийся характер. Собственно уплотнение происходит, в основном, за счет деформации самого скелета частиц, которые обладают как пластичными, так и упругими свойствами, и характеризуется меньшей величиной приращения А/?, за единичное воздействие. Исходя из этого, задавались нижним уровнем варьирования числа ударных воздействий - п — 5. При п 25 ед. рост рк замедляется и стремится к постоянной величине. Это определило верхний уровень варьирования п = 25.
Пробы кукурузной резки были отобраны в период 21.09-2.10.02 г. при заготовке силоса в учебно-опытном хозяйстве СГАУ. Определение физико-механических показателей проводилось в учебно-научной лаборатории аналого-цифровых измерений, а также в аккредитованной испытательной лаборатории (УНИЛ) СтГАУ.
Относительная влажность W растительной массы составила 70±3%, средняя длина резки Lcp = 25+2 мм, насыпная плотность / = 209,0+5,0 кг/м .
Для исключения случайного влияния неконтролируемых факторов, как то неоднородность растительной массы по влажности, биохимическому составу, температура и влажность окружающего воздуха и др., порядок проведения опытов и их повторностей был рандомизирован с помощью таблиц случайных чисел [65] между уровнями импульса г,. ( табл.1 приложение 7).
Анализ показал, что действие всех факторов, их парных взаимодействий и тройного взаимодействия достоверно. Наибольшее влияние на уплотнение листостебельной массы оказывала величина импульса силы /. Доля этого фактора SS,/SSo6ul составляет 56,67% от всей суммы учтенных и неучтенных факторов. Факториальное влияние толщины уплотняемого слоя h и числа воздействий п соответственно равны 21,69 и 16,07%. Влияние парных межфакторных взаимодействий /гх/, hxn, Ып и тройного взаимодействия hxixn незначительно. Их суммарная доля составила 5,3%, поэтому в дальнейшем рассмотрении процесса влиянием этих взаимодействий можно пренебречь.
Подбор функциональных зависимостей, для прогнозирования размера отклика при различных значениях факторов, осуществлялся методом наименьших квадратов с использованием компьютерной программы Microsoft Graph из приложения к программному пакету Microsoft Office. Зависимости между откликами и факторами представлены в виде у = fix) + є, где є - некоторая случайная величина, из-за которой возникают ненулевые остатки. Согласно гаус-совской модели простой линейной регрессии, эти остатки распределены по нормальному закону с нулевым средним и одинаковой дисперсией. Выбором функции fix) осуществлялась минимизация квадратов остатков. Сравнение качества приближения осуществлялось путем сворачивания суммы случайных величин в функцию і(єх,єг є„) = є} = 2(y, -/(х()У - тіп. В результате были получены коэффициенты функций и размеры достоверности их аппрок-симации R . Согласно полученных уравнений, построены графики функциональных зависимостей (рис.4.1,4.2).
Задаваясь оптимальной плотностью рк силосуемой массы (600 кг/м3) и величиной импульса /, полученные зависимости позволяют определить высоту падения трамбующего груза (штемпеля) Н и необходимое число воздействий п.
Анализ графических зависимостей показывает, что при величине импульса силы / = 2,6 Н-с и толщине уплотняемого слоя h\ = 0,3 м, плотность рк = 630 кг/м3 достигается за 5 ударных воздействий. При увеличении толщины слоя до hi = 0,5 м и hi - 0,7 м при / = 2,6 Н-с, необходимое число воздействий п соответственно составит 11 и 40 ед. То есть, достижение одной и той же плотности массы при увеличении толщины уплотняемого слоя с исходных 0,3 м в 1,7 и 2,3 раза (до hi = 0,5 м и hi = 0,7 м) вызывает необходимость увеличения числа воздействий соответственно в 2,8 и 10,0 раз.
Импульс силы / = 1,6 Н-с обеспечивает уплотнение слоя материала hi = 0,3 м до оптимальной плотности за п = 16 ударных воздействий. При увеличении толщины слоя до 0,5 м число воздействий возрастает до 32 ед., т.е. в 2,0 раза. Слой материала толщиной 0,7 м за 25 ударных воздействий уплотняли до фактической плотности всего в рк — 520 кг/м3. Согласно соответствующего уравнения регрессии оптимальная плотность в этом случае может быть достигнута за 130 ударных воздействий, т.е. при увеличении толщины слоя с 0,3 до 0,7 м (в 2,3 раза) число воздействий возрастает в 8,1 раза.
Слой материала толщиной h\ — 0,3 м, hi = 0,5 м и hi - 0,7 м при величине импульса силы / = 0,6 Н-с за 25 ударных воздействий уплотняли до рк\ = 505 кг/м3, ркі - 480 кг/м3 и pKi = 420 кг/м3. С помощью уравнений регрессии определили, что для достижения оптимальной плотности при данной величине импульса силы необходимо соответственно 98, 800 и более 3000 ударных воздействий.
