Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Задачи исследования 9
1.1 Хранилища силоса и сенажа 9
1.2 Условия получения классных силосованных кормов 12
1.3 Анализ теории процессов уплотнения растительных материалов... 16
1.4 Контроль параметров в процессе формирования силосной массы 36
1.5 Цель и задачи исследования 41
2 Теоретические предпосылки совершенствования процесса уплотнения силосной массы 44
2.1 Обоснование физической модели силосной массы, находящейся в граничных условиях 44
2.2 Изменение свойств силосной массы при периодических нагружениях 48
2.3 Определение пористости силосной массы в процессе уплотнения,,,,50
2.4 Количественная оценка рассеивания энергии уплотнения в силосной массе 54
2.5 Анализ интегральных зависимостей уплотнения силосной массы в горизонтальных силосохранилищах 61
2.6 Технологические параметры мобильных уплотнителей 69
2.7 Производительность и энергетика процесса уплотнения силосной массы мобильными уплотнителями 77
Выводы 82
3 Программа и методика экспериментальных исследований 83
3.1 Исходные положения и программа исследования 83
3.2 Методика определения параметров условий проведения экспериментов 85
3.3 Методика определения плотности силосной массы в процессе уплотнения 90
3.4 Методика полевого эксперимента 96
3.5 Обработка результатов измерений 102
4 Экспериментальные исследования процесса уплотнения силосной массы и анализ результатов 106
4.1 Физико-механические и реологические свойства силосной массы 106
4.2 Определение плотности силосной массы в процессе уплотнения... 115
4.3 Количественная оценка рассеивания энергии уплотнения и глубины распространения деформации в объеме хранилища 121
4.4 Экспериментальная оценка технологических параметров мобильных уплотнителей 129
4.5 Экспериментальная оценка процесса уплотнения пристенной зоны при поперечном эшелонировании 133
4.6 Экспериментальное определение производительности и энергоемкости процесса уплотнения 137
4.7 Методика инженерного расчета основных параметров и режима работы эшелонного уплотнителя 141
Выводы 143
5 . Экономическая эффективность применения мобильного уплотнителя силосной массы с эшелонируемой поверхностью 145
Общие выводы 157
Литература 159
Приложения 171
- Анализ теории процессов уплотнения растительных материалов...
- Количественная оценка рассеивания энергии уплотнения в силосной массе
- Методика определения параметров условий проведения экспериментов
- Физико-механические и реологические свойства силосной массы
Введение к работе
В структуре себестоимости животноводческой продукции корма стоят на первом месте. На их долю приходится 60...70% затрат, причем в валовом производстве кормов более 60% занимают объемистые корма растительного происхождения в виде сена, сенажа и силоса. При переводе поголовья крупного рогатого скота на круглогодовое однотипное кормление их доля и значение еще более возрастут, повысятся требования к технологиям производства, хранения и скармливания.
В этих условиях силосование, обеспечивающее заготовку максимума биологического урожая силосных культур в сжатые сроки с минимальными затратами, надежное хранение в горизонтальных хранилищах в течение года и более, создание переходящих запасов, приобретает приоритетное значение в решении задач одного из важнейших национальных проектов развития сельского хозяйства.
Изменение структуры отрасли животноводства, масштабов производства силосованных кормов особенно остро обозначили необходимость точного выполнения требований микробиологических и биохимических особенностей технологии техническими средствами для распределения, уплотнения и выгрузки, обеспечивающими минимальные неизбежные и устранимые потери, достигающие в физическом и качественном выражении 30 и более процентов.
В условиях производства реализация механизированных технологий заготовки силосованных кормов, их машинное обеспечение осуществляется энергосредствами общего назначения, массогабаритные и кинематические параметры которых остаются неизменными на уровне и в диапазоне технических характеристик. Оснащение энергосредств бульдозерными лопатами, ковшами, граблинами существенно повышает их адаптивность к требованиям технологии, однако время выполнения операций остается необоснованно продолжительным, а эффективность их выполнения неконтролируемой.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых, многолетней производственной практикой доказано, что важным условием решения этой задачи является применение технических средств, адаптированных к состоянию и свойствам силосуемого сырья от начала заполнения хранилища до наступления анаэробных условий и последующей герметизации монолитов.
Методологической основой для решения проблемы совершенствования процесса и технических средств уплотнения листостебельных монолитов являются работы:
в области биологии и биохимии силосования Г. Краузе, В. Кирша, М.Д. Неша, П. Мак Дональда, А.Р. Хендерсона, В. Шмидта и Г. Веттерау, А.А. Зубрилина, СЯ. Зафрена, Л.Г. Боярского;
в области прессования, брикетирования и гранулирования кормовых средств растительного происхождения В.П. Горячкина, Е.М. Гутьяра, И.П. Безручкина, А.И. Нелюбова, позднее И.А. Долгова, В.И. Особова, В.И. Фомина, Ю.Ф. Новикова, Т.К. Васильева, А.В. Голяновского, В.Ф. Некрашевича, В.И. Щербины и др.;
в области формирования и уплотнения кормовых листостебельных монолитов в горизонтальных хранилищах П.Т. Колесникова, И.Я. Автомоно-ва, О.Г. Ангилеева, О.И. Детистовой, В.В. Красникова, М.А. Тищенко, В.Е. Парасоцкого, A.M. Семенихина и др.
Теоретической основой этих исследований являются фундаментальные работы в области механики систем, деформирующихся во времени и сплошных сред А.Ю. Ишлинского, Ю.Н. Роботнова, А.И. Губанова, А.Р. Ржаници-на, Л.И. Седова, в области сыпучих сред Р.Л. Зенкова, Л.В. Гячева, В.А. Богомягких и др.
Аналитический обзор выполненных исследований и теоретических положений, сформулированных применительно к процессам прессования, гранулирования, брикетирования и фракционирования растительного сырья показал:
прямое их применение для описания процесса уплотнения силосуемой массы, находящейся в граничных условиях, в соответствии с требованиями технологии силосования не представляется возможным;
требует обоснования физическая модель силосуемой массы в граничных условиях и, на ее основе, разработка теоретических предпосылок совершенствования процесса уплотнения больших объемов;
параметры и режимы работы мобильных устройств для уплотнения силосуемой массы в горизонтальных хранилищах не могут быть определены по известным зависимостям;
разработки способов технологического контроля параметров силосуемой массы и монолитов в процессе заполнения хранилищ находятся на уровне поисков технических решений, не имеющих достаточного теоретического обоснования и методического обеспечения, что позволило сформулировать научную гипотезу.
Снижение потерь кормовой ценности растительного сырья на биологически активных стадиях силосования, затрат на производство готового корма высокого качества в горизонтальных хранилищах может быть достигнуто за счет совершенствования процесса уплотнения силосной массы, находящейся в граничных условиях под действием периодических эшелонных нагружений мобильными средствами.
Цель исследования - разработка теоретических предпосылок совершенствования процесса уплотнения силосуемой массы, находящейся в граничных условиях, эшелонными опорными поверхностями мобильных уплотнителей в горизонтальных силосохранилищах.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
обосновать физическую модель силосной массы, находящейся в граничных условиях;
разработать теоретические предпосылки совершенствования процесса уплотнения силосной массы в горизонтальных хранилищах эшелонными периодическими нагружениями;
- обосновать основные параметры и режимы работы технического
средства с эшелонной опорной поверхностью;
- разработать методику инженерного расчета мобильного уплотнителя.
Объект исследования - процесс уплотнения силосной массы, находя
щейся в граничных условиях, периодическими эшелонными нагружениями.
Предмет исследования - закономерности изменения свойств силосной массы и монолитов в процессе их формирования и уплотнения в граничных условиях горизонтальных силосохранилищ.
Результаты исследований изложены в диссертационной работе, состоящей из пяти глав основного текста.
В первой главе «Состояние вопроса. Задачи исследования» в результате аналитического обзора исследований, опытно-конструкторских разработок и передового опыта установлена актуальность темы, определены цель, объект и предмет исследования для получения новых научных результатов, необходимых для решения поставленных задач.
Во второй главе «Теоретические предпосылки совершенствования процесса уплотнения силосных монолитов» обоснована физическая модель силосной массы в граничных условиях и на ее основе разработаны теоретические предпосылки изменения ее свойств, рассмотрены пути повышения равномерности уплотнения в объеме хранилища, включая пристенные зоны. Дана количественная оценка рассеивания энергии, предложены зависимости для расчета производительности и энергоемкости процесса уплотнения. В выводах по главе сформулированы задачи экспериментальных исследований, необходимых для проверки теоретических предпосылок и характеристик объекта.
Третья глава «Программа и методика экспериментальных исследований» содержит дополнения к известным методикам, вновь разработанные методики, описание приборов, приспособлений и средств измерения, регистрации и обработки результатов, требования к макетам технических средств, компьютерную базу и программное обеспечение для статистической обработки, формализации, оценки достоверности и адекватности результатов.
Четвертая глава «Экспериментальное исследование процесса уплотнения и анализ результатов» содержит результаты выполнения программы исследований, представленные в виде таблиц, графиков зависимостей и взаимосвязей параметров процесса и технических средств, свойств силосной массы и монолитов, их анализ и решения задач, сформулированных в первой главе. Завершается глава методикой инженерного расчета основных параметров мобильного эшелонного уплотнителя и выводами.
В пятой главе «Экономическая эффективность результатов исследования» в соответствии с методическими рекомендациями определены показатели эффективности предлагаемого технологического процесса и эшелонированного мобильного уплотнителя в расчете на 1000 тонн готового силоса.
На защиту выносятся:
основные допущения силосной массы, находящейся в граничных условиях горизонтальных силосохранилищ;
теоретические предпосылки процесса уплотнения силосной массы, находящейся в граничных условиях, эшелонными периодическими нагруже-ниями;
методика инженерного расчета технического средства для уплотнения силосной массы в граничных условиях и контроля ее состояния.
Научная новизна состоит в обосновании физической модели силосной массы, находящейся в граничных условиях, разработке теоретических предпосылок совершенствования процесса ее уплотнения в горизонтальных хранилищах и, на их основе, обоснование параметров и режимов работы технического средства с эшелонной опорной поверхностью.
Практическая ценность работы состоит в возможности использования ее результатов непосредственно в хозяйствах при заготовке сенажа и силоса в траншеях и курганах, в научно-исследовательских и опытно-конструкторских организациях при разработке технических средств для точных технологий, в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Агроинженерия».
Анализ теории процессов уплотнения растительных материалов...
Исследования процессов уплотнения материалов растительного происхождения применительно к различным технологическим приемам и, что чаще, рабочим органам, относятся к 20-тым годам прошлого столетия, хотя прессование сена с целью сокращения транспортных расходов известно с конца XVIII века, а первые сведения о консервировании сочных травосмесей относятся к античному периоду и главным условием успешного приготовления такого корма была плотная укладка силосной массы и вытеснение воздуха, то есть уплотнение /2,3,68/.
Силовые воздействия на материалы растительного происхождения можно подразделить на три уровня: высокий - гранулирование, брикетирование и фракционирование; средний - прессование в тюки различного объё 17 ма и рулоны; низкий - уплотнение больших объёмов растительной массы с целью вытеснения кислорода воздуха и создания анаэробной атмосферы -производство силоса и сенажа /85-88/. На первых двух уровнях материал, подлежащий уплотнению, находится в объёмном или плоском напряженном состоянии и уплотняется до появления молекулярных связей или разрушения паренхимы и выдавливания клеточного сока, а также образования объёмов, геометрические формы которых удерживаются обвязочными материалами /72,104,105/. Третий уровень связан с массогабаритными параметрами мобильных силовых агрегатов, цикличным нагружением отдельных участков и длительными паузами между ними. Зависимости, описывающие связь между усилиями, параметрами рабочих органов, деформацией материалов и плотностью прессовок, предложены в эмпирическом, графическом и аналитическом виде, - это степенные и показательные, дробные и дробно-рациональные функции, многочлены и полиномы, формулы и зависимости, полученные, в основном, как результат аппроксимации данных эксперимента при исследовании сенных прессов различных конструкций на различных материалах в достаточно узком диапазоне давлений и влажности /48,56,57,72,103/. Зависимости, полученные аналитическим путем предложены академиком В.П. Горячкиным, а также Е.М. Гутьяром, В.И. Особовым, И.А. Долговым, В.И. Фоминым и др., являются методологической основой анализа процессов взаимодействия рабочих органов уплотнителей с прессовками в различных условиях формирования компактных тел, соотношений масс и скоростей, составляющих процесс.
Ряд исследований содержат элементы моделирования уплотняемых материалов, что значительно углубляет представление о механизме и характере деформаций, позволяет количественно описать поведение материалов растительного происхождения под действием различных нагрузок / И.А. Долгов, Р.А. Ржаницын, В.И Особов /. Такой подход к описанию процессов позволяет выделить в реальных материалах те механические свойства и характеристи 18 ки, которые наиболее значимы для решения поставленной задачи. Это вязкость и ползучесть, релаксация напряжений и рассеивание энергии деформации в материале /72,82,48/. В.И Особов приводит экспериментальные графические зависимости нагружения и разгрузки образцов сена во времени (рисунок 1.4) в координатах (є и t) - относительная деформация и время. О 12 3 4 5 t,MHH Рисунок 1.4 - Поведение образцов сена при нагружении и разгрузке по Так участок ОА соответствует деформации элемента Ej при мгновенном нагружении; участок АВ - постепенному сжатию упругого элемента Ег, с замедлением по т\2 и последовательного Гз; участки ВС, BjCi и В2Сг - мгно 19 венному восстановлению Е\ и постепенному восстановлению Ег в точках Е, Е] и Е2. Не подвергая форму графика более точному анализу, заметим, что если его участки СЕ построить с соответствующими ординатами в левую сторону от С, (на рисунке показано штриховой линией), то есть, ординаты точек, соответствующих 4 мин перенесены на вертикаль 2 мин, 5-ти минут - на 1 мин и т.д., то между кривой АВ и зеркальным изображением СДЕ штриховой линией СК образуется пространство, которое, можно предположить, адекватно количеству энергии, рассеявшейся в образце сена.
Оставляя образец под действием постоянной нагрузки Р (рисунок 1.5) далее точки В, можно получить результат для о = const, обозначенный штрихпунктиром BD. Это построение выполнено и для двух последующих циклов (рисунок 1.4) /81/. А.Р. Ржаницын характеризует завершение деформации модулем упругости Юнга Е, а момент кратковременного нагружения «ОА» - мгновенным модулем упругости Н. Более точная модель сено - соломистого материала и процесса его уплотнения предложена И.А. Долговым. Модель учитывает наличие в стебельной массе защемленного воздуха в виде катаракт, соединенных с «пружиной» последовательно и параллельно /47/. Описание модели показано для условий деформации с переменной скоростью поршня, приводимого в движение с помощью кривошипно-шатунного механизма, что позволяет распространить эти решения на графики скорости с иной кинематикой.
Количественная оценка рассеивания энергии уплотнения в силосной массе
Энергия периодических нагружений при уплотнении СМ, как было сказано, расходуется на изменение пористости (увеличение плотности), модулей упругости Я и Е, также прочности, вязкости и, следовательно, времени релаксации напряжений. В механике систем, деформирующихся во времени, в отличие от многофазных и многокомпонентных композитов их реологические параметры считаются константами, диссипация энергии периодических нагружений связывается с выделением тепла или рассматривается как явление гистерезиса /47,48,72,104,74/. Рассматривая поведение различных моделей УВС, включая сложные с иерархическими связями и наследственностью прошлых деформаций, авторы приходят к единой оценке о том, что они не приводят к существенному уточнению законов деформирования /18,22,27,28,81,87,88/. Поэтому для описания предложенной модели силосной массы, выбираем закон линейного деформирования, включающий только первые производные деформации є и напряжений о /47,81,87/ в виде Нпє-п& ст + Еє = 0, (2.23) где Я и - мгновенный и длительный модули упругости, Па; п время релаксации, с; є,& - первые производные деформации и напряжения. Из (2.23) следует, что при малых скоростях нагружения, при которых є, а достаточно малы, по сравнению с самими параметрами и ими можно пренебречь, (2.23) - суть закон Гука с модулем упругости Е. При больших скоростях нагружения имеем закон Гука, но уже с модулем Я. И далее: нере-лаксирующие материалы характеризуются Я-»со а п - 0, релаксирующий материал - п - со, Я - Е. Здесь t{ - время нагружения, прохождения уплотнителем фиксированной точки поверхности слоя (экспозиции). По истечении времени нагружения наступает пауза - а = 0. Имеет место восстановление деформации в точке нагружения, для которой начальным условием будет являться результат, достигнутый предыдущим импульсом (2.26). Тогда решение для сг = 0 с учетом (2.26) запишется /81/ (2.27) — (t) + o\ Нп1 J [Н Е Е ех (-— Графически процедура нагружения и восстановления может быть представлена в координатах (є, і) в виде (рисунок 2.2). Для удобства анализа принимаем /, = /2, a td - время нагружения и упругого восстановления на участках ОА и ВС считаем достаточно малым и входящим в состав /. и /, соответственно. Пусть площадь под кривой ОАВ равна F , а под кривой BCD - F . Совместим, в силу малости t0, точку А с осью ординат, а точку С с полупрямой ВМ. Кривую BCD повернем в плоскости перпендикулярной плоскости чертежа до положения BC]D. Тогда площадь AF (ABC\D\), заключенная между кривой нагружения и кривой восстановления, может быть поставлена в соответствие энергии рассеивания (диссипации) в УВС пористой структуры при ее уплотнении. AF = FH-F=Fa. (2.28) ОА-участок мгновенного нагружения; АВ-экспозиция при a = const; ВС-участок разгрузки; CD - участок ст = О (пауза). Как показали исследования и предположения, высказанные в п.2.1, полученное решение пригодно для описания единичного цикла нагружения -(наезд-пауза). Мгновенный и длительный модули образца, получившего деформацию равную ЕЕ - єв, будут иметь другие значения. Таким образом, при определении величин площади диссипации энергии последующих циклов нагружений и пауз Ни Е необходимо присваивать порядковые индексы, как и промежуткам времени. Заметим, также, что величина выражения (2.31) 0. Н Е) ( ЕЛ С учетом также сомножителя ехр в (2.26) очевидно, что с тече V Нп) нием времени величина деформации образца стремится к —. Е Исходные положения (2.23; 2.26 и 2.27) получены для достаточно малых t0, за которое напряжение достигнет расчетного значения или уменьшится до нуля. Опорные элементы мобильных уплотнителей - гусеницы, колеса пневматические, катки различной геометрии и размеров и, поэтому, характер изменения є, законы нарастания т от нулевого значения до о , равно как и уменьшение до нуля в течение более длительного td, соизмеримого со временем циклов, будут различными. С учетом этих особенностей и соотношений для более точных расчетов необходимо вносить соответствующие изменения в общий закон деформирования (2.23). Так для деформации, изменяющейся по закону є = 2R sin а/2 (каток), (2.23) необходимо переписать в виде w j + o--2#sinor/2 = 0, (2.32) где a = arccos . RJ h - глубина погружения катка в монолит, радиус которого R. Тогда общее решение с учетом (2.23) запишется в виде /81/ ( t\ = 2/?sina/2 + Cexp — (2.33) V п) и далее уже с учетом (2.33) и порядка нагружения. В уравнениях (2.32 и 2.33), 2R sin а/2 - суть величина, задаваемая несущей способностью поверхностного слоя - абсолютная деформация. Поэтому при выполнении вычислительных процедур ее необходимо относить к геометрическому размеру объекта уо, в пределах которого распространяется а. Однако, учитывая продолжительность нарастания и снижения а в рабочем диапазоне, достаточно рассмотрения полного времени экспозиции и паузы нескольких последовательных циклов, характеризующихся существенными приращениями деформации (єЕ-єв).В случае, когда t2 »tt, необходимо учитывать влияние массовых сил на восстановление монолита, называемое самоуплотнением. Практика измерений зон распространения напряжений в монолитах толщиной 1,2 - 1,5 м показывает, что после наращивания очередного слоя высотой 0,8 и более метров его несущей способности достаточно, чтобы усилие от уплотнителя не сказывалось на нижележащих слоях
Методика определения параметров условий проведения экспериментов
Характеристики исходного материала - фракционный состав, транспортная плотность, влажность, реологические параметры (Н, Е, к, п), тариро-вочные диаграммы, а также отбор проб и формирование образцов производились и определялись по ГОСТ 13496-80, общепринятым и дополненным методикам /106-108/.
С началом поступления силосной массы и далее с интервалом в 100 тонн но не более чем через 2 часа отбирались пробы для определения средней длины частиц, их геометрических характеристик, мгновенного и длительного модулей упругости, времени релаксации, значениям которых ставилось в соответствие количество сырья, поступающего в технологическую зону. Влажность сырья определялась утром (830-930), в полдень (ІЗ00 - 1400) и вечером (1800-1900).
Степень измельчения силосной массы определялась 3 раза в течение смены - утром до 1000, в полдень до 1400 и вечером с 1800, а также после заточки ножей, если она имела место. Средние пробы отбирались вручную из трех транспортных единиц после разгрузки. Содержимое пробы равномерно распределялось по объему ящика с размерами 500 на 500 на 50 мм, на который потом накладывалась разделительная решетка с окнами 100 на 100 мм, пронумерованными с 1-го по 25-й номер. По таблице случайных чисел из нескольких ячеек отбирались от 5 до 7 объемов, а оставшаяся масса пробы из опыта исключалась. Масса отобранной из ячеек пробы вновь равномерно распределялась по поверхности ящика и аналогичным образом из нее отбирались новые 5-7 ячеек, общая масса которых взвешивалась на лабораторных весах ВЛКТ-500г-М4 класса ГОСТ 19491-74 и результаты заносились в полевой журнал. Частицы измельченной массы измерялись линейкой с точностью до 0,5 мм и раскладывались по 5 классам через каждые 20 мм, после чего определялась масса частиц в каждом классе G,. Результаты измерений и учета частиц по классам сводились в таблицу 3.1. Таблица 3.1 - Алгоритм обработки средней пробы Классы размеров частиц, мм 0...20 // 20...40 h 40...60 h 60...80U 80...100 h 1 2 3 4 5 6 7 Содержание частиц в классе, г (%) G, G2 G3 G4 G5 IGj(100%) Взвешен, значение интервала: (мм х г), (мм х %) //G, hG2 /5G3 I4G4 /5G5 S/,G Средневзвешенный размер частиц в пробе рассчитывался по выраже нию: ад / = ——, мм . (3.1) Одновременно с определением средневзвешенной длины частичек измерялись их геометрические размеры - толщина, ширина, длина, по которым определялись условный диаметр и геометрическая характеристика L, равная отношению диаметра к длине. Результаты измерений заносились в таблицу 3.2. Эквивалентный диаметр d3 определялся по выражению (3.2) п \(Л аэ = 2Л—, мм V ж где а и b - поперечные размеры частицы, измеренные штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. В процессе проведения полевого эксперимента, в силу большой трудоемкости обработки средней пробы, полному статистическому анализу подвергалась одна из трех проб. Две другие обрабатывались по упрощенной методике, включавшей отбор из средней пробы частиц длиною более 80 мм. Взвешивался остаток и масса отобранных частиц, определялось их процентное содержание. Масса частиц менее 80 мм в пробе составляла более 60%. Таблица 3.2 - Алгоритм измерений и расчетов геометрической характеристи ки частиц Классы частиц, мм 0...20 /у 20...40 h 40...60 h 60...80 U 80...100 h Примечание 1 2 3 4 5 6 7 Частота, шт Z, z2 z3 z4 z5 Толщина, мм средневзвешенная ai a2 аз a4 a5 листья из опыта исключались Ширина, мм средневзвешенная ь, b2 Ъз b4 b5 Эквивалентный диаметр, мм ti d2 d3 d4 d5 Длина, мм средневзвешенная h h h U h Геометрическая характеристика, L L, Li U І4 L5 Полная геометрическая характеристика частиц силосуемого сырья необходима для проверки теоретических предпосылок п.2.2 об изменчивости механических параметров и реологических свойств их совокупностей согласно зависимостей (2.6 и 2.9).
Влажность силосуемого сырья определялась в пробе, отобранной в полдень, образцы которой доставлялись в лабораторию и обрабатывались по стандартной методике ВИСХОМ /106/. Промежуточный контроль влажности выполнялся с помощью экспресс - влагомера Wile-55 после нормализации проб по методике Е.И. Храпача /108/. Предварительно взвешенные бюксы заполнялись нормализованной силосной массой с незначительным уплотнением, вместе с крышкой взвешивались и устанавливались в сушильный шкаф СЭШ-80. Высушивались при температуре 105С. Время высушивания находилось в пределах 150...160 минут для силоса и 80...ПО минут для сенажа. После остывания в течении 15...20 минут пробы взвешивались и определялась влажность силосуемого сырья по формуле: M0-Mh (3.3) где Mo - масса бюкса с исходным сырьем, г; MQ- масса бюкса с высушенной пробой, г; Мв - масса пустого бюкса, г. Определение влажности начиналось за 3-4 дня до планируемого в хозяйстве начала силосования. Обрабатывались пробы «зеленки», заготавливаемой на корм скоту в летнем лагере. По достижении влажности 75%, принималось решение о начале уборки кукурузы на силос. Результаты взвешивания сводились в таблицу 3.3. Таблица 3.3 -Алгоритм определения влажности силосной массы № пробы или бюкса Результаты взвешивания Влажность % Примечания М0,г Мс,г Мб, г 1 2 3 4 5 Во время заполнения хранилища в течение 4...5 дней выполнялись выборочные опыты по контролю текущей влажности сырья, так как она находилась в зоне технологического оптимума 75%) путем взвешивания от 7 до 11 бюксов одновременно или экспресс - влагомером.
Реологические параметры силосной массы определялись в соответствии с теоретическими предпосылками, изложенными во второй главе, положениями, характеризующими особенности поведения материалов растительного происхождения в технологических условиях /22,25,27,48,56,72,74,82/ и включали мгновенный Н и длительный Е модули упругости, время релаксации п и коэффициент вязкости К. В результате эксперимента решалась задача получения графических зависимостей в вида (рисунок 3.1) Образцы силосной массы, отобранные в течение смены, укрывались пленкой и светонепроницаемой тканью, и устанавливались рядом с заполняемой траншеей. В контейнер с прозрачной стенкой, установленный на ве 89 сах , засыпалась и равномерно распределялась силосная масса в количестве, соответствующем транспортной плотности и устанавливалось нагрузочное устройство с динамометром ДПУ-0,02/2-1, а на поверхность образца накладывалась пластина с
Физико-механические и реологические свойства силосной массы
Исследования, проводимые ранее, были направлены на изучение свойств сельскохозяйственных материалов и кормов в широком диапазоне изменения. Реально пригодными для практики оставались границы протекания технологических процессов. Поэтому нами определялись эти характеристики применительно к технологии естественного консервирования и в границах, рекомендуемых техническими условиями, применительно к машинным комплексам конкретных хозяйств. Более широкий диапазон исследования задавался для плотности образцов, начиная от граничной транспортной до уровня готовых к хранению монолитов.
Результаты оценки механического состава и геометрических параметров сырья, поступавшего в хранилище, приведены в таблице 4.1 и Приложении А. Из данных таблицы 4.1 и Приложения А следует, что степень измельчения силосной массы (СМ), поступающей в хранилище, соответствует техническим требованиям на заготовку силоса по средневзвешенному размеру частичек их массовому и процентному содержанию. Однако только (9-11) процентов (таблица 4.1) и 18 процентов (Приложение А) имеют L = 0,48 - 0,51 и способных к самостоятельному в процессе заполнения хранилища упорядочению. Частицы, у которых L 0,3 - последние строки таблицы 4.1 и Приложения А при средней длине более 50 мм подлежат упорядочению в процессе уплотнения при любом способе заполнения хранилища. Приведенная табличная характеристика фракционной структуры силосуемого сырья не раскрывает технологических перспектив процесса уплотнения и упорядочения монолитов, представляющих совокупности частичек различных размеров и ориентации. Пользуясь известными зависимостями для расчета пористости определим ее величину во всем диапазоне L и а. Результаты расчетов сведем в таблицу 4.2. 108 Таблица 4.2 - Расчетные значения пористости СМ из частиц различной гео метрии и ориентации Ориентация частичек Геометрическая характеристика, L = dil
Из данных таблицы 4.2 видно, что пористость варьирует в широком диапазоне и у преобладающих структур выходит за пределы необходимого стартового уровня насыщения воздухом. Для разработки стратегии уплотнения и упорядочения СМ на основе табличных данных построены графические характеристики их состояний (рисунок 4.1) в ординатах пористости «Jf» и геометрической характеристики «L». Из графика (рисунок 4.1) становиться очевидно, что уплотнение СМ возможно в широком диапазоне за счет упорядочения частичек. Так, если развернуть частички схемы «а» в положение «б» пористость монолита уменьшается с 0,357 до 0,094. Аналогичная возможность имеется и у частичек «/» слева от точки G и далее до уровня «б». Достаточно эффективно упорядочение возможно за счет перевода наклоненных частичек в горизонтальное положение. Таким образом, до отмирания клеток растений и падения тургора, пористость СМ в процессе заполнения хранилища за счет упорядочения может быть доведена до стартового уровня в промежутке «д» и «б», после чего можно осуществлять дальнейшее уплотнение. 109 Из механики многокомпонентных систем известно, что от их пористости зависят основные механические характеристики - коэффициенты упругости, внутреннего трения - демпфирующая способность (вязкость) и др. Рисунок 4.1 - Расчетные характеристики пористости СМ из частичек различной геометрии и ориентации В соответствии с высказанными в разделе 2 положениями (2.6 и 2.8; 2.9) на образцах размером (500x550x400) мм выполнены измерения ординат при нагружении и восстановлении в кратковременном режиме. Результаты измерений сведены в таблицу 4.3 и Приложение В. по параметры СМ в ре зультате периодического нагружения образца по графику, максимально приближенному к полевому эксперименту, изменяются в широком диапазоне. При каждом последующем нагружении мы получаем практически новое состояние СМ (строки Я, Е, к). Графическое представление полученных результатов (рисунок 4.2) позволяет оценить поведение СМ в зависимости от числа нагружении и времени уплотнения. а = 1455 Па; S = 0,275м2; р0 = 280 кг/м3; Р = 400Н 12 18 24 30 At - ордината мгновенного нагружения; А{ Bt - участки ползучести при a=const; В І Ct- участки упругого восстановления о=0; CtDj - участки релаксации; А І - разовая деформация; ZAt - интегральная деформация Рисунок 4.2 - Циклограмма деформаций образца СМ Ill По известной зависимости /56,57/ определили пористость W образца для всех пяти состояний (соответствующие строки Приложения В) и построили графики изменения Н и Е, от пористости (числа нагружении) рисунок 4.3. Характер графических зависимостей и результаты аппроксимации экспериментальных данных показывают, что имеет место функциональная связь между Н и Е и пористостью, аналогичная зависимостям (2.6 и 2.9). Однако поведение многофазной системы из частиц растительного происхождения, остающихся физиологически живыми в технологическом процессе, имеет более сложную в отличие от композитов природу. Рисунок 4.3 - Изменение реологических свойств образца от пористости и числа нагружении (рт = 280 кг/м ) На рисунке 4.3 при рт - 280 кг/м функциональная связь по результатам аппроксимации оценивается как полиноминальная. Изменение начальной плотности до 310 кг/м3 в пробе через 6-8 часов после скашивания (рисунок 4.2) приводит к полиноминальной зависимости, хотя при первых трех нагру-жениях имеет место очевидная экспонента и правомерна зависимость (2.6). 112 С достоверностью 0,96-0,98 можно утверждать о существовании такой зависимости (рисунок 4.3).
