Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследований 16
1.1. Дробилки-измельчители грубых кормов 19
1.2. Погрузчики-измельчители стебельчатых кормов 36
1.3. Мобильные кормораздатчики 48
1.4. Анализ существующих технологий и средств механизации для уборки и переработки всего биологического урожая 52
1.5. Анализ технологических схем агрегатов и комплексов машин для уборки, погрузки, измельчения и доставки кормов 62
1.6. Задачи исследовании 64
2. Формирование технической системы кормообеспечения ферм крупного рогатого скота (КРС) 66
2.1. Комплексный метод оценки качества измельчения грубых кормов 75
2.2. Теория и методика расчета двухвентиляторной дробилки 86
2.3. Разработка и результаты исследований семейства двухвентиляторных дробилки (ДД) 92
2.4. Разработка и экспериментальное исследование двухвентиляторного измельчителя грубых кормов ИРТ-55 98
2.5. Обоснование типоразмерного ряда кормоизмельчителей 123
3. Экспериментально-теоретические исследования параметров и режимов работы погрузчиков-измельчителей грубых кормов 132
3.1. Выбор и обоснование рациональных схем погрузчиков-измельчителей грубых кормов 132
3.2. Расчет параметров и выбор рабочих органов погрузчиков-измельчителей 142
3.3. Исследование пневмотранспортной системы погрузчика-измельчителя грубых кормов 154
3.4. Экспериментальное исследование нагруженности рабочих органов погрузчиков-измельчителей 167
3.5. Комплексная оценка качества измельчения грубых кормов погрузчиками-измельчителями разной модификации 184
4. Разработка и исследование кормораздатчика с роторным рабочим органом 197
4.1. Теория, расчет параметров и режимов работы роторного кормоотделителя раздатчика 197
4.2. Экспериментальное исследование раздатчика с роторным рабочим органом 202
5. Повышение эффективности технических систем для кормообеспечения малых ферм 210
5.1. Исследование основных параметров МЭС и определение их степени универсальности по технологическим процессам 210
5.2. Организация кормообеспечения малых ферм и определение производительности МЭС 225
5.3. Исследование и разработка погрузчика-измельчителя ПС-Ф-5П с оборудованием для химической обработки грубых кормов 23 6
6. Использование результатов исследований и разработок и их экономическая эффективность 241
6.1. Технико-экономическая оценка эффективности ПТЛ при измельчении грубых кормов 241
Технико-экономическое обоснование технологических линий для фермерских хозяйств 249
Эффективность выполненных исследований и разработок по
энергетическому критерию 257
К определению технологического эффекта измельчения грубых кормов 261
Внедрение результатов исследований в производство 265
Общие выводы и рекомендации 270
Литература 273
Приложения 300
- Анализ существующих технологий и средств механизации для уборки и переработки всего биологического урожая
- Теория и методика расчета двухвентиляторной дробилки
- Выбор и обоснование рациональных схем погрузчиков-измельчителей грубых кормов
- Теория, расчет параметров и режимов работы роторного кормоотделителя раздатчика
Введение к работе
Постепенное снижение уровня продукции растениеводства и животноводства, устойчиво сохраняющиеся потери урожая (до 40-60% по питательности и до 80-90% по протеину) и заготавливаемых на хранение кормов, неудовлетворительное качество подготовки грубых и сочных стебельчатых кормов, высокие затраты труда и средств объясняются не только экстремальными погодными условиями, но и серьезными недостатками в развитии материально-технической базы России.
Важнейшее условие успешного развития животноводства - создание прочной кормовой базы. Совершенствование технологий заготовки, приготовления, хранения и раздачи стебельчатых кормов; разработка перспективных технических средств для кормообеспечения остается актуальной проблемой при производстве животноводческой продукции, позволяющей переработать в качественный корм практически весь биологический урожай большинства сельскохозяйственных культур. Только при этом условии можно успешно решить проблему продовольствия в обществе, повысить продуктивность крупного рогатого скота (КРС) в 2-3 раза.
Диссертационная работа направлена на повышение эффективности и разработку новых технологий производство кормов в прифермской кормовой зоне (ПКЗ) существующих крупных коллективных ферм КРС, малых и индивидуальных хозяйств, основанных на блочно-модульных принципах построения новых кормоперерабатывающих технических систем, энергосбережения, повышения качества обработки стебельчатых кормов, сокращения их потерь, упрощения поточно-технологических линий (111 Л) кормоцехов и средств кормораздачи, обеспечения санитарно-гигиенических условий работы персонала, ликвидации ручного труда.
Кормопроизводство наиболее ресурсоемкая и затратная отрасль растениеводства. Под кормовые культуры в России занято почти 80% всех сельскохозяйственных угодий. Однако оно нуждается в глубокой структурной реорганизации и коренной технической модернизации. Производство различных кормовых культур - это не только существующие разрозненные технологии заготовки, направленные на обеспечение животноводческих ферм, качественными кормами, но и решение проблем биологизации земледелия, сохранения плодородия почвы, удаления сорняков, обеспечение экологии и охраны окружающей среды, разработки новых адаптивных технологий для ферм КРС.
За последние десять лет производство кормовых культур в России сократилось на 50% (с 75-80 млн. т. к.е., до 38-40 млн. т. к.е. в 2000 г.). При сложившейся несовершенной структуре посевных площадей и низкой урожайности кормовых культур в общем составе используемых кормов доля грубых и сочных кормов (50-60%) должна быть увеличена, причем удельный вес наиболее дешевых лугопастбишных кормов в структуре рациона жвачных животных невелик и составляет всего около 10-20%. В результате недостаточного ежегодного количества и низкого качества грубых и сочных стебельчатых кормов, несбалансированность рациона по белку и другим элементам сдерживает рост продуктивности животных.
Удой на 1 фуражную корову за последние годы не превышает 2400 кг.
По этим же причинам перерасход стебельчатых кормов на единицу продукции составил 25...40%, концентратов 26...40%, а достижение потенциальной продуктивности животных менее 50 % /86, 89, 144 /.
Для современного этапа развития кормопроизводства необходим неустанный поиск новых, более совершенных альтернативных технологий, позволяющих повысить сохранность и питательность стебельчатых кормов, утилизировать отходы полеводства.
Полноценное кормление - один из основных источников повышения продуктивности животных. Для кормления КРС в крупных коллективных хозяйствах используют многокомпонентные, влажные, рассыпные и сухие формованные кормовые смеси. При существующей практике цеха влажных рассыпных кормовых смесей располагают на фермах с поголовьем 400...1200 коров, а цех (кормозавод) формованных кормов — один на все крупное хозяйство/105, 106, 191/.
В общем балансе кормления КРС большую часть составляют затраты на измельчение грубых кормов, для которых в составе кормоцехов (типа КОРК-15) разработан шлейф узкоспециализированных стационарных измельчителей, питателей и передвижных погрузочно-разгрузочных средств. При такой многофазной технологии обработки и переизмельчения грубых кормов запыленность кормоцехов в помещениях достигает 58-118 мг/м3, что вЮ-18 раз превышает допустимые санитарные нормы для персонала кормоцехов, а себестоимость животноводческой продукции увеличивается на 25-35%/62, 92, 104, 106, 150, 191, 251, 291/.
Хранилища кормов, как правило, располагают независимо от места их дальнейшей переработки (в поле, у крупной фермы и т.п.). В результате несовершенства уборочной техники и традиционных технологий раздельной уборки и обработки кормовых и зернофуражных культур, нарушения агротехнических сроков уборки, потери в процессе транспортирования, погрузочно-разгрузочных работах и хранения кормов составляют от 20 до 40 % всего биологического урожая. Решение этой задачи возможно путем научной организации кормовой базы крупных и малых ферм КРС, в которых экономически, технологически и технически должны быть объединены и обоснованы структура, технология уборки и оптимальные параметры земельной площади, уборочной, кормоперерабатывающей и транспортной техники, секторов хранения с цехами для приготовления влажных рассыпных или сухих формованных кормовых смесей, линиями для обработки всего биологического урожая зернофуражных культур, семенников клевера, сушки сена и т.п. /56, 64, 178, 236/.
Эффективное ведение кормопроизводства и животноводства возможно лишь при соблюдении агрозоотехнических и экологических требований на всех технологических операциях от поля до кормушки фермы с учетом фактического спроса хозяйств на технику.
Важным резервом снижения себестоимости животноводческой продукции в крупных коллективных хозяйствах является разработка новой комбинированной техники (как и рабочих органов), позволяющей путем совмещения операций (погрузка+дробление+пневмовыгрузка готового продукта) и создаваемой на блочно-модульных принципах (БМП) упростить структуру существующих поточно-технологических линий (ПТЛ), исключив экологически опасные для здоровья людей операции погрузки и многофазного доиз-мельчения грубых кормов в помещениях кормоцехов, снизить затраты труда в 2-3 раза, энерго- и металлоемкость процесса на 30-40%. Таким образом, создание новых менее металлоемких и энергоемких рабочих органов машин и агрегатов на новых принципах, позволит повысить производительность труда и создать благоприятные условия труда для работников животноводческих ферм. Постановка проблемы повышения эффективности ПТЛ «от поля до кормушки» обусловила необходимость комплексного исследования./12, 15,16,86,87,101,102,110/.
В третьем тысячелетии, наряду с реконструкцией ПТЛ крупных коллективных хозяйств, большое внимание будет уделено: техническому оснащению и совершенствованию самых распространенных в России малых ферм КРС (на 100-200 коров и на 250-500 гол. откорма КРС), общее число которых составляет около 70%; становлению индивидуальных фермерских хозяйств на 10-100 коров и личных подсобных хозяйств (ЛИХ), общее число которых достигло 36 млн. Из-за низкого уровня механизации (всего 10-12%) нагрузка на одного фермера сейчас не превышает 10 коров или 50 голов молодняка КРС. Дальнейшее увеличение нагрузки на одного работающего в некоторых хозяйствах достигнуто за счет интенсификации физического труда, удлинения и уплотнения рабочего дня до 10-12 часов, увеличения среднегодовой занятости фермера с нормативной - 1980 ч. до 3000 ч. /193,194, 198, 200/.
Поэтому, чтобы устранить наметившуюся интенсификацию физического труда фермера, обеспечить реальное снижение трудоемкости обслуживания животных, сократить расходы материальных средств и повысить производительность труда, необходимо совершенствование технологий уборки, доставки и обработки всего биологического урожая без потерь, закладки полученного монокорма на хранение в универсальные хранилища-кормушки, разработка многоцелевых раздатчиков и агрегатов нового типа для измельченных и не измельченных стебельчатых кормов, подстилки, удобрений и т.п. Решение этой проблемы имеет большое научное и практическое значение /12,13,15,16,193,219,220/.
Исследования и разработки, составляющие основу диссертации, выполнены в 1972-2002 г.г. лично автором. На разных стадиях разработки и испытаний макетных и опытных образцов машин, агрегатов и ПТЛ принимали участие Воронков А.А., Воронкова Ю.Н. (ВНИИживмаш), Красников В.В., Тучин В.И., Комаров В.П.(ВИЭСХ), Жалнин Э.В., Букин B.C. (ВИМ), Скор-кин В.К., Теплицкий М.Г., Повалихин Н.В. (ВНИИМЖ), Безин А.С., Пацер Р.П. (Целинсельхозмеханизация), Луговой В.П.(РИСХМ), Гречанинов А.С., Фаянс Ю.А. (ВНИИКОМЖ), Шпаков В.Ф (Винницкремтехсель-маш),Савиных П.А., Алешкин А.В. (НИИСХ СВ.). Всем им автор вьфажает искреннюю благодарность.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Продукция животноводства и, прежде всего, его отрасли - скотоводства (молоко, молочные продукты и говядина) является источником наиважнейших продуктов питания населения страны и должна составлять не менее 52% в общем объеме производства животноводческой и птицеводческой продукции. Сокращение производства молока с 55,7 млн. т в 1990 до 32,3 млн. т в 2000 г. (на 42%) и мяса всех видов, соответственно с 10,1 до 4,4 млн. т (на 56%), прежде всего, в коллективных хозяйствах, особенно пагубно отразилось на уровне их потребления на душу населения (по молоку он снизился с 386 до 216 кг, по мясу в целом — с 75 до 43 кг). Для обеспечения уровня потребления населением молока и говядины в соответствии с рекомендуемыми ИП РАМН нормами питания по прогнозу Россель-хозакадемии (2002 г.) в стране необходимо ежегодно производить молока 56 млн. т и говядины 4,4-4,5 млн. т (в убойной массе) /15, 16/.
Основной причиной снижения объемов производства продукции скотоводства является низкая ее рентабельность (в 2000 г. по молоку она составила +11%, по говядине -33%) и, как следствие, не конкурентоспособность на отечественном и мировом продовольственных рынках. Определяющей со ставляющей себестоимости продукции крупного рогатого скота (КРС) является стоимость кормов, затрачиваемых на единицу продукции, доля которых составляет около 50% и в последние годы имеет тенденцию роста. Себестоимость же единицы корма (корм, ед.), потребляемой животными, в нашей стране высокая в связи с устойчиво сохраняющимися высокими потерями урожая (до 40-60% по питательности и до 80-90% по протеину). Высокие удельные затраты кормов связаны и с неудовлетворительным качеством, прежде всего, грубых и сочных стебельчатых кормов при их заготовке и приготовлении к скармливанию. Высокие затраты труда и средств объясняются не только экстремальными погодными условиями России, но и серьезными недостатками в развитии материально-технической базы сельского хозяйства в целом. Необходима разработка новых энергосберегающих технологий заготовки, хранения, приготовления и раздачи стебельчатых кормов, повышающих содержание в них белка, их питательность и усвояемость животными. Важнейшим условием реализации таких технологий является разработка и оснащение их перспективными техническими средствами /11, 15/.
Поэтому диссертационная работа направлена на разработку новых технологий кормовой зоны (КЗ) существующих ферм КРС, основанных на энергосбережении, повышении качества обработки стебельчатых кормов, сокращении их потерь, на блочно-модульных принципах (БМП) построения новых кормоперерабатывающих технических средств, упрощении поточно-технологических линий (ПТЛ) технических систем заготовки, приготовления и раздачи кормов, обеспечении санитарно-гигиенических условий работы персонала и ликвидации ручного труда.
Исследования по диссертации выполнялись в соответствии с государственными научно-техническими программами, утверждёнными Государственным комитетом по науке и технике Совета Министров СССР 0.51.525 (1971-1975 г.г.), 0.51.08 (1976-1980 г.г.), 0.51.25 (1981-1985 г.г.), 0.51.12 (1986-1990 г.г.) и ведомственными координационными планами по решению научно-технических проблем 16.07, 16.09, 16.19 и О.сх. 102 (1990-1995 г.г.), в рамках федеральной государственной программы «Фермер», федеральной государственной программы «Машиностроение для АПК России» и проекта федеральной целевой государственной программы "Техника для продовольствия России" (1996-2001г.г.).
Цель исследований заключается в разработке теоретических и экспериментальных методов исследования эффективных и энергосберегающих технологий и создания технических систем заготовки, приготовления и раздачи грубых и сочных кормов нового поколения на основе блочно-модульных принципов их построения для ферм КРС, обеспечивающих повышение каче ства кормов, снижение их себестоимости и сокращение номенклатуры машин.
Научная новизна результатов исследований состоит в разработке технической системы кормообеспечения ферм КРС, предусматривающей формирование семейств машин, выполнение структурного анализа каждой машины и агрегата, разработку типоразмерных рядов и синтез функциональных структур технических средств нового поколения:
- методики комплексной оценки показателей качества работы дробилок-измельчителей и погрузчиков-измельчителей грубых кормов, обеспечивающей зоотехнически обоснованный оптимальный диапазон их измельчения при минимальных удельных затратах энергии;
- методик расчета параметров, разработки математических моделей рабочих процессов и типоразмерного ряда двухвентиляторных дробилок, погрузчиков-измельчителей и раздатчиков с роторным рабочим органом, позволяющих проектировать их семейство на блочно-модульной основе;
- двухступенчатых кормоизмельчителей с предварительным разрыхлением и выравниванием потока, подаваемой неизмельченной стебельчатой массы (на первой стадии) и последующего доизмельчения двухвентилятор-ной дробилкой с комбинированными рабочими органами (на второй) для повышения технологической эффективности и снижения энергозатрат;
- основ технологического расчета пневмотранспортной системы погрузчиков-измельчителей путем последовательного наращивания воздушного потока от кормоотделителя к дефлектору;
- теоретического и экспериментального обоснования модульно- энергетических многофункциональных средств (МЭС) с высоким коэффициентом универсализации (7 в=0,86) и использованием принципа совмещения операций при заготовке, приготовлении, доставки и раздачи животным многокомпонентных кормосмесей на малых фермах.
Новые технические решения защищены 43 патентами и авторскими свидетельствами СССР и Российской Федерации на изобретения.
Научные положения, выносимые на защиту:
- развитие технической системы кормообеспечения ферм КРС как последовательность этапов формирования семейств, входящих в нее машин, структурного анализа каждой машины и агрегата, разработки их типоразмерных рядов, синтеза функциональных структур технических средств нового поколения;
- критерии оценки качества работы кормоизмельчителей грубых кормов различного типа, включающих: степень измельчения и расщепления среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации, показатель однородности и коэффициент оптимизации;
- математические модели оптимальных режимов и параметров рабочих органов одно- и двухступенчатых кормоизмельчителей грубых кормов;
- рациональные конструктивно-технологические схемы одно- и двухступенчатых двухвентиляторных дробилок-измельчителей, погрузчиков-измельчителей грубых кормов, создаваемых на блочно-модульной основе и разрабатываемых для ПТЛ реконструируемых коллективных и проектируемых малых ферм КРС;
- модель функционирования и структурно-технологическая схема многоцелевого кормораздатчика с роторным рабочим органом для малых ферм КРС;
- новые и модернизированные многофункциональные схемы МЭС, обеспечивающих одновременно выполнение технологических процессов при заготовке, приготовлении и раздачи кормов на малых фермах КРС.
Достоверность результатов исследований, теоретических и методических обоснований, выводов и рекомендаций базируется на положениях системного подхода к применению методов; теории планирования эксперимента и моделирования; блочно-модульных принципов проектирования; анализа энергетических затрат и математических моделей к исследованиям (оптимизации) технических систем при заготовке, приготовлении и раздаче кормов на фермах крупного рогатого скота.
Практическую ценность работы представляют:
- новые и модернизированные технические средства для механизации измельчения, погрузки, доставки и раздачи грубых кормов и всего биологического урожая в измельчённом и неизмельчённом виде;
- методики инженерного расчета двухвентиляторных дробилок (как блок-модуля), погрузчиков-измельчителей, полевых машин, кормовозов для уборки всего биологического урожая, роторных кормораздатчиков;
- система основных критериев для оценки качества измельчения стебельчатых кормов, обеспечивающая снижение удельных затрат энергии;
- проектно-технологические решения ПТЛ для реконструкции действующих кормоцехов, типовые проекты семейных молочных ферм, нормы технологического проектирования кормоцехов и фермерских хозяйств, ОСТ;
- 25 агрозоотехнических требований на отдельные машины, агрегаты, поточно-технологические линии и комплекты оборудования кормоцехов, комплекс машин для уборки зерновых и кормовых культур с обработкой их на стационаре в зонах повышенного увлажнения и другие;
- 20 научно-методических и нормативно-технических изданий, рекомендаций Минсельхоза СССР и России, Россельхозакадемии, ОСТ и норм технологического проектирования.
Реализация результатов исследований.
I. Создан типоразмерный ряд двухвентиляторных дробилок- измельчителей с пневмоподачей (модули ДЦ-500, ДЦ-530 и ДЦ-680), позволяющих комплектовать стационарные поточно-технологические линии (ПТЛ) малых ферм для загрузки кормохранилищ (ДКВ-5 ВИЭСХ и ИРТ-55 ВИЭСХ), а также погрузчики-измельчители ПС-Ф-5 и самоходные кормово- зы-измельчители (модуль ДЦ-540) для средних и крупных ферм КРС.
Прошли приемочные испытания на Северо-Кавказской МИС и ВНИИМОЖ и рекомендованы в производство погрузчики-измельчители грубых кормов ПС-Ф-5.
Система критериев по оценке качества измельчения стебельчатых кормов включена в отраслевой стандарт ОСТ 70.19.2-83 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Программа и методы испытания».
Прошел приемочные испытания на Подольской МИС (Протокол № 09-06-2000 от 22.06.2000 г. и протокол № 09-39-02 от 26 декабря 2002 г.) малогабаритный многоцелевой раздатчик с роторным кормоотделителем РТР-Ф-4 для раздачи стебельчатых кормов.
Разработан и реализован в совхозе "Прогресс" Рузского района Московской области безотходная технология уборки зерновых и кормовых культур с обработкой на стационаре. Десятилетний опыт использования экспериментальных полевых машин автора МПУ-1200 показал их высокую эффективность. Уборка всего биологического урожая с 500 га пшеницы, 150 га ячменя и овса позволило хозяйству дополнительно получить 120 т пшеницы, 90 т ячменя и овса, 225 т половы.
II. По зоотехническим требованиям автора, утвержденными Минсель- хозом разработаны, поставлены на серийное производство, выпущены опытными партиями и внедрены в хозяйствах:
- дробилки- измельчители грубых кормов ИРТ-165, ИРТ-80, ДКМ-5 и ДКВ-3;
- питатели кормов ПДК-Ф-3 и ПДК-Ф-12;
- раздатчики - смесители кормов РСП-10 и АРС-10;
- погрузчики кормов ФПК-60 и УПК-60;
- комплект прямоточного кормоцеха КЦ-15 «ВИЭСХ»;
- малогабаритная техника для измельчения соломы и корнеклубнеплодов;
- оборудование для приготовления электроактивированных растворов. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения нормативной и методической документации составляет около 25 млн. руб., в том числе доля автора - 900 тыс. руб. Годовой экономический эффект от внедрения 6 машин и оборудования, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, составляет 137 тыс. руб.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получали одобрение на научно-практических конференциях ВИЭСХ (1972-1987 г.г.), ВИМ (1988-1993 г.г.), ВНИИМЖ (1994-2000 г.г.), секциях ВАСХНИЛ и Россельхозакадемии, всесоюзных, республиканских и международных научно-технических конференциях в ВИЭСХе (1993-2000гг.), ВИМе (1988-1992 г.г.), ЦелинНИИМЭСХе (1981-1984 г.г.), УНИИМЭСХе (1982г.), Винниц-кремтехсельмаше (1978 г.), ВНИИживмаше (1987 г.), ВНИИМЖе (1996-2002 г.г.), ВНИИКОМЖе (1994 г.), на научно-техническом совете Минсельхозпрода России (1982 г.), на Всероссийских научно-технических конференциях «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России» (Москва, 1993-2002 г.г.).
Разработанное оборудование демонстрировалось на международных и отечественных выставках в городах Москва, Киев, Винница, Пловдив. Погрузчик-измельчитель соломы ПС-Ф-5 на базе блок-модуля ДД-530 на Всемирной выставке изобретателей в г. Пловдиве (НРБ) удостоен специальной премии (1983г.); прямоточный кормоцех КЦ-15 (ВИЭСХ) удостоен второй премии на Всероссийском конкурсе кормоцехов (1975 г.). За учебную программу повышения квалификации специалистов операторов и комплект учебных плакатов по приготовлению и раздаче кормов для передвижного учебного класса на базе автобуса ПАЗ-673 (1983 г.) и дробилку кормов ДКМ-5 автор удостоен двух медалей ВДНХ.
Результаты исследований используются в учебном процессе сельскохозяйственных вузов в виде: двухтомного справочника-специалиста (М. «Колос», 1987-1988 г.г.) и одноименного комплекта из 25 учебных плакатов «Машины и оборудование для приготовления кормов» (1984 г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 187 печатных работах, в том числе три книги, одна монография, 5 рекомендаций, 5 ОСТ и 43 авторских свидетельств СССР и патента РФ на изобретения.
Анализ существующих технологий и средств механизации для уборки и переработки всего биологического урожая
Эффективность использования технологий и средств механизации во многом определяется условиями их применения.
За последние годы объемы заготовки грубых и сочных кормов в среднем сократились в 1.5....2 раза, неуклонно остается низким качество заготавливаемых кормов. При этом расход кормов на единицу животноводческой продукции увеличился на 30 - 40 % /87/.
Животноводство до сих пор остается основным потребителем соломы и половы. По имеющимся расчетам ежегодно для нужд животноводства необходимо собирать ,измельчать и повышать питательность не менее 50 млн. т. соломы. Кроме того очень важно быстро освободить поля от незерновой части урожая для обеспечения более ранних сроков работ по подготовке почвы под посев озимых, что способствует увеличению будущего урожая. В связи с указанным встает проблема выбора наиболее рационального, в конкретных условиях, способа уборки и подготовки незерновой части урожая /9,16,122/.
В Нечерноземной зоне России, специализирующейся на молочно-мясном скотоводстве, технология безобмолотной уборки зернофуражных культур не вынужденная мера, а научно-обоснованная технология, обеспечивающая в 1,5...2 раза большую кормовую продуктивность гектара при себестоимости кормовой единицы в 2...2,5 раза ниже по сравнению с фуражным зерном. Кроме того, уборка зернофуражных культур и их смесей с бобовыми при восковой спелости зерна имеют высокую кормовую ценность, а лис-тостебельная масса содержит наибольшее количество сухого вещества, меньше клетчатки и значительное количество сахара и крахмала. Потери листостебельной массы при заготовке зерносенажа не превышают 1%, а общие потери биологического урожая — не более 6-8% /175,228, 287/.
Придавая важное значение этой проблеме Министерство сельского хозяйства России и Россельхозакадемия. выпустили «Каталог научно-технических разработок», рекомендуемых научно-исследовательскими учреждениями РАСХН для освоения в агропромышленном производстве Российской Федерации. Одной из которых является разработка ВИКа — технология возделывания злаковых и бобовых культур на зернофураж в смешанных посевах, что обеспечивает получение 3-4 т/га сбалансированного по протеину зерна при экономии 30-60 кг/га минерального азота и 2-4 Гдж/га совокупной энергии по сравнению с раздельным выращиванием. Посевы убираются прямым комбайнированием, а полученная зерносмесь по питательности близка к комбикорму /75, 228/.
ВНИИСОИ рекомендует технологии возделывания кормовых культур при смешанных, полосных и поукосных посевах, что обеспечивает оптимальное сахаро-протеиновое соотношение в кормах, при более низких затратах при уборке /18, 75/.
Комбайновые технологии. Внедрение в сельскохозяйственное производство зерноуборочных комбайнов различного типоразмера позволило в значительной мере решить проблему уборки зерна. Однако сразу же возникла необходимость решения и второй проблемы - экономически эффективной уборки с поля и последующей обработки в кормовой зоне фермы незерновой части урожая (НЧУ) /58, 234, 274/.
Прежде всего это относится к соломоуборочной и измельчающей технике, которая из-за узости существующего направления в ее создании и отсутствия методики синтеза имеет низкую универсальность. На три основные модели зерноуборочных комбайнов была предусмотрена обширная номенклатура машин, включающая до 40 наименований соломоуборочных ма-ШИН./117/. Если трудоемкость уборки зерновых культур составляет всего 9 -16% (см. рис. 1.13), то трудоемкость уборки и переработки соломы достигает 60 - 73%. Ряд комплексов машин и рабочих органов снижают производительность комбайнов до 30%, допускают потери биомассы до 40%.
Трудоемкость скирдования также составляет 60 - 70% от общей трудоемкости уборки незерновой части урожая /234/.
Технико-экономические показатели технологических схем комбайновой уборки соломы приведены в таблице 1.2 Приложения и показаны на рисунке 1.14. В соответствии с выбранной технологией уборки соломы с поля подбирают комплекс машин и составляют агрегаты, руководствуясь «Системой машин».
Анализируя потери соломы и половы, которые составляют от 4 до 40% по указанным технологиям можно сделать вывод, что наиболее экономична третья технология. Здесь работа комбайна с укладкой соломистой массы в валок не снижает ее производительность, причем можно использовать фуражир с подбором массы предварительно измельчаемой и одновременно загружаемой в прицепную тележку.
Сравнительными испытаниями установлено, что с применением технологии измельчения незерновой части урожая в процессе комбайнирования теряется много зерна, снижается сменная производительность уборочных агрегатов., что приводит к увеличению потребности в зерноуборочных комбайнах и повышению себестоимости производства зерна. Эта комбайновая технология не снимает проблемы доизмельчения соломы на фермах КРС. Следовательно, использование комбайнов, оборудованных штифтовыми измельчителями, экономически нецелесообразно /234/. По данным В.Я.Черкуна /286/ величина потерь зернофуражных культур при уборке в оптимальные сроки в 3-4 раза ниже, чем с превышением срока уборки (табл. 1.6).
Теория и методика расчета двухвентиляторной дробилки
Одной из первоочередных задач в животноводстве является совершенствование рационов крупного рогатого скота за счет повышения доли грубых и сочных кормов и снижения количества концентратов. Однако низкая поедаемость и переваримость грубых кормов, в том числе соломы, обусловленные большим содержанием в них клетчатки, наличием лигнина и других инкрустирующих веществ, вызывают необходимость разработки эффективных методов подготовки их к скармливанию. Обычно грубые корма измельчают, подвергают термохимической обработке, приготавливают различные формованные корма. При этом особое значение имеет их физиологическая оценка и оптимальная степень измельчения, обеспечивающие получение максимальной продуктивности при минимальном расходе электроэнергии на измельчение. Кроме того, транспортировка и раздача кормов должны быть механизированы.
Подготовка кормов к скармливанию дает возможность сбалансировать соотношение питательных веществ в рационе, организовать нормированное групповое кормление животных. Однако еще до конца не изучен вопрос о влиянии измельчения ингредиентов рациона на их питательную ценность, переваримость в организме животных, качество и количество получаемой продукции, и ее окупаемость.
Результатами многих исследователей установлено, что измельчение грубого корма снижает переваривание в желудке и увеличивает поступление сухих веществ в кишечник. При этом снижается переваримость клетчатки, по данным ряда авторов, на 12-14%, но возрастает усвоение протеина и повышается использование азота /118, 175, 239, 245/.
Многие исследователи в своих работах не учитывают энергозатраты на подготовку кондиционной части кормов к скармливанию, ограничиваясь нередко только исходными требованиями которые нередко противоречат физиологии кормления животных /1, 88, 248/.
В исследованиях Скоркина В.К. при скармливании коровам многокомпонентной, влажной кормовой смеси с измельчением до размеров 20...50 мм (92%), и расщеплением грубых и сочных кормов вдоль волокон обеспечило полное поедание корма, повышение молочной продуктивности на 4,8...9,2% при снижении затрат кормов на 3...5%/1,42, 43, 148, 149, 150, 239/.
Полученные результаты /1, 42, 43, 148, 149, 150, 239/ подтверждают эффективность использования животными измельченных кормов определенной степени измельчения.
Существенное значение имеет степень измельчения исходной массы при заготовке сенажа и силоса. Большинство авторов предлагают измельчать подвяленные травы на отрезки длиной 2...3 см. В некоторых рекомендациях указывается на необходимость более мелкого измельчения - до 0,5...1 см. Имеются также высказывания о том, что сенаж из неизмельченных трав поедается животными охотнее, чем из измельченных. Исходя из последнего, некоторые исследователи рекомендуют вообще не измельчать травы при заготовке сенажа. Такие рекомендации вряд ли можно считать правильными, так как закладку и особенно выемку сенажа из неизмельченных трав производить значительно сложнее.
Для быстрого и лучшего уплотнения сенажной массы в траншеях и при закладке в башни целесообразно использовать провяленную траву, измельченную на отрезки длиной 2...3 см /239/.
В настоящее время для оценки получаемого продукта измельчающими аппаратами в качестве основных исходных данных принимаются утвержденные исходные требования, в которых показатели качества (длина частиц резки, степень расщепления) регламентируются верхним пределом (см. рис.2.4). Из рисунка видно, что из общей массы грубого корма для крупного рогатого скота частиц длиной до 50 мм должно быть не менее 85%, для молодняка крупного рогатого скота, овец и лошадей - до 30 мм (для приготовления брикетов - до 20 мм, а гранул - до 10 мм). Количество расщепленных грубых стеблей и междоузлий для всех видов животных должно быть не менее 85%. Такие требования к степени измельчения грубых и сочных кормов были поставлены перед разработчиками новых машин и агрегатов для измельчения стебельчатых кормов. Подобный контроль качества продукта исключал соблюдение оптимального диапазона измельчения и направлял конструкторскую мысль на разработку измельчающих аппаратов, обеспечивающих достижение длины резки частиц, не превышающей указанных верхних пределов.
В результате разработки серийных и некоторых опытных измельчителей количество стебельчатой массы, соответствующей оптимальному диапазону измельчения (20...50 мм), снижено в 2...3 раза, а степень переизмельчения корма (0...20 мм) увеличена в 4...5 раз. Указанные показатели, по данным зоотехнической науки, снижают молочную продуктивность коров /239/.
В условиях энергетического кризиса и повышения цен на энергоносители обработка грубых кормов на ИРТ-165 (а это около 50 млн. т) приведет к перерасходу электроэнергии на 0,5 млрд. кВт-ч и снижению продуктивности коров на 10...15%.
Результаты исследований ВНИИМЖа, ВИКа, ВИЖа, НИИ Лесостепи и Полесья (г. Харьков) и многих других институтов показывают, что для лучшей поедаемости и усвояемости грубых кормов молочными коровами длина частиц должна находиться в пределах 20...50 мм, для молодняка крупного рогатого скота (особенно при откорме) - 10...30 мм, для приготовления гранул - 7... 15 мм, брикетов -10...20 мм. В связи с этим появился основной резерв снижения энергоемкости кормоизмельчающих аппаратов за счет экономии энергии, расходуемой ранее на образование мелкой и пылевидной фракции /239/.
Выбор и обоснование рациональных схем погрузчиков-измельчителей грубых кормов
В бункер-питатель БП грубые корма подаются с помощью погрузчика дискретно в виде отдельных доз Gn(t) с начальными характеристиками по влажности WK(t), объемному весу y(t), длиной стеблей Lcp(t) с различными физико-механическими свойствами.
Подача грубых кормов к фрезбарабану-рыхлителю осуществляется циклически в момент времени, когда лопасти бункера-питателя захватывают корм и поднимают его до определенного угла. Поэтому входным воздействием для ротора наряду с влажностью WK(t) и объемным весом y(t) измельчаемого материала будет являться переменная AGj(t), характеризующая изменение массы стебельчатого корма в единицу времени за один оборот бункера-питателя. Текущее значение AG2(t) определяется характеристиками измельчаемых материалов Фгк(і), а также соотношением частот вращения фрезбарабана Пф(,(і) и ротора TJpd(t). Ножи фрезбарабана Пф$(0, взаимодействуя в бункере-питателе с грубым кормом, отделяют от него порцию материала AGj(t) и за счет взаимодействия сегментных ножей с противорежущей гребенкой, осуществляют его первичное измельчение на грубые фракции, определяемые шагом расстановки противорежущих пластин и транспортируют витками шнека к молоткам ротора ДЦ в виде потока AG2(t), где осуществляют его доизмельчение молотками и транспортируют далее в виде воздушно-кормового потока AGj(t) боковыми вентиляторами в выгрузной пневмопровод-дефлектор ВТ кормохранилища малых ферм.
Энергетические и динамические параметры процесса измельчения, характеризуемые мощностью на привод фрезбарабана-рыхлителя 1 фб(і), мощностью на привод ротора ДЦ N$d(t) и мощностью на привод бункера-питателя Ne(t), зависят как от характеристик измельчаемых кормов, так и от конструктивно-технологических параметров двухступенчатого измельчителя. Особенностью рассматриваемой модели является случайный характер изменения входных и выходных переменных, которые в реальных условиях работы измельчителя представляют собой случайные процессы.
Ввиду сложности функциональной схемы рабочего процесса для установления закономерностей двухступенчатого измельчения из общей модели (рис.2.11.) был выделен и рассмотрен ряд моделей, которые позволили оценить влияние наиболее существенных факторов на показатели работы измельчителя ИРТ-55. На рис.2.13. принята расчетная модель ДЦ, которая позволяет установить зависимости производительности Q(t), удельных энергозатрат qyd(t) и качества измельчения K0dH(t) от следующих факторов: частоты вращения ротора ДЦ Пдд(0 при изменении живого сечения сепарирующей деки или решета от 0,1 до \,0fd(t), числа сепарирующих дек Z t), бокового зазора между молотками и штифтами деки SMlu(t), рассматриваемых при фиксированной влажности грубых кормов WK(t). Реализацию рассмотренной модели проводили однофакторными экспериментами.
Расчетная модель (рис.2.11) не учитывает условия работы технологической линии, которые характеризуются входными воздействиями в виде изменения влажности WK(t) грубых кормов. Поэтому, в общем случае закономерности преобразования рассматриваемых процессов при работе линии будут проявляться несколько иначе, а математические модели будут иметь несколько иной вид.
Для анализа рабочего процесса агрегата (линии) в производственных условиях была рассмотрена модель (рис.2.12) с входными воздействиями в виде подачи грубых кормов G t) различной влажности WK(t), частоты вращения бункера-питателя щ(ї)у частоты вращения молотков ротора ДЦ Пдд(0, бокового зазора между молотками и штифтами деки SMlu(t), числа рядов штифтовой деки 2рш(і), зоны нагружения Ah(t), степени предварительного измельчения Xnp(t) и выходными параметрами: производительностью Q(t), удельными энергозатратами qyd(t) и показателями качества измельчения
При анализе работы технологической линии измельчения грубых кормов и поиска оптимальных условий функционирования ИРТ-55 необходимо располагать математическим описанием преобразований. Соотношения между входными и выходными переменными рассмотренных выше моделей могут быть найдены как на основе теоретических, так и экспериментальных исследований. Однако для рассматриваемых процессов применение аналитических методов затруднено, так как большинство из них являются случайными. Поэтому наиболее приемлемыми для решения этой задачи являются экспериментальные методы исследования реального объекта, позволяющие в дальнейшем получить математическое описание исследуемых процессов двухступенчатого измельчителя в виде математических моделей. Вместе с тем, при изучении параметров двухступенчатого измельчителя целесообразно провести предварительное обоснование вышеуказанных факторов на основе экспериментальных исследований.
Формализуя процесс, происходящий при работе двухступенчатого измельчителя, была построена его функциональная схема, которая позволяет взаимно увязать работу его блок-модулей с параметрами кормохранилища для малых ферм (на 60-120 т), т.е. где Rcp - средний радиус загрузочного бункера, м; HQ - высота бункера, м; у0 -объемная масса исходного корма, т/м3; t3g - время загрузки бункера, ч; Дко -диаметр кормоотделителя, м; LKO - длина кормоотделителя, м; пк0 - частота вращения кормоотделителя, сек1(ико=100-120 сек"1); // - объемная масса предварительно измельченной массы; Др и Lp — соответственно диаметр и длина ротора ДД, м; пр - частота вращения ротора (пр =200-240 сек"1); у2 -объемная масса вторично измельченных стеблей; Н и В& — соответственно высота и ширина дефлектора, м; S# - скорость стебельчатой массы в дефлекторе, м/сек ( =25-30 м/с); La, Le, и Нхр - соответственно длина, ширина и высота кормохранилища; t3K - время загрузки кормохранилища.
Теория, расчет параметров и режимов работы роторного кормоотделителя раздатчика
Щелевое окно конфузора (рис.3.5. 1-І). Параметры конфузора приняты нетрадиционной конструкции, в частности переменного по высоте и прямоугольного сечения. Такие устройства позволяют повысить степень передачи энергии восходящего воздушного потока частицам измельченных грубых кормов и в результате снижения рабочих скоростей воздуха уменьшить расход энергии /261/.
Поскольку наиболее опасная зона образования завала начальный - участок конфузора - щель прямоугольного сечения, то увеличение скорости воздуха на этом участке повышает надежность всей пневмосистемы.
Такое местное увеличение скорости воздуха достигнуто уменьшением высоты щелевого окна на начальном участке. Обеспечив интенсивный разгон продукта после поступления в конфузор, можно устойчиво транспортировать его по основной части трубопровода (рис.3.5).
Эксперименты проводили при высоте щелевого окна he = 175 мм и ширине вщ=\ 190 мм. Частота вращения вентилятора изменялась от 547 до 1426 мин 1 (см. таблицу Приложения 4.1). Скорость потока воздуха на начальном участке конфузора варьировала в пределах от 8,2 до 27 м/сек. Из таблицы следует, что скорость устойчивого транспортирования увеличивается к середине отверстия конфузора (рис.3.5, точка 2). На рис.3.5. А (сечение 1-І) приведены графические зависимости скорости потока от частоты вращения вентилятора (швырялки). Из него следует, что движение по сечению конфузора характеризуется неравномерным (по сечению) потока полем скоростей. При пневмоподаче частицы корма, расположенные в различных точках сечения 1-1, испытывают различную аэродинамическую силу, определяемую местным значением скорости воздуха, большую в центре потока и меньшую у стенки трубы конфузора. В этих условиях рабочая скорость воздушного потока, представляющая собой среднюю по сечению скорость, должна быть принята такой, чтобы она обеспечивала устойчивое транспортирование всех частей, находящихся в поперечном сечении трубопровода конфузора. Криволинейный участок трубопровода (сечение II-II). При движении по криволинейному участку пневмопровода удельные потери давления по сравнению с потерями давления на прямолинейном участке должны быть выше. Эти потери при движении аэросмеси по отводу складываются из суммы потерь, обусловленных трением частиц о стенки материалопровода и силами инерции компонентов потока. Результаты экспериментальных исследований в сечениях II-II приведены на рис.3.5 Б и таблице 4.2 Приложения. Как видно из полученных данных расход воздуха QKO В сечениях остается одинаковым. Анализ таблицы 4.2 Приложения показывает, что площадь поперечного сечения трубопровода на криволинейном участке по сравнению с заборным участком (сечение 1-1) снижена в 1,65 раза. Однако скорость транспортируемого потока в сечении П-П не снизилась, а возросла в 1,6 раза, и в зависимости от регулирования частоты вращения вентилятора-швырялки увеличивается в диапазоне с 16,5 до 30,6 м/сек. Такое увеличение скорости воздуха, а следовательно и возрастание подъемной силы приводят к тому, что частицы аэросмеси не протаскиваются по дну трубопровода, а поднимаются в более высокие слои потока и находятся уже во взвешенном состоянии. Последнее физическое состояние несущей среды (аэросмеси) исключает возможность забивания или закупорки самого опасного криволинейного участка трубопровода двухступенчатого погрузчика-измельчителя грубых кормов (даже при повышенной влажности). Следовательно, есть основание считать, что диаметр (Дг = 400 мм) и радиус пневмопровода выбраны правильно. Работа вентилятора-швырялки рис.3.5 В (сечение Ш-Ш) имеет большое влияние на надежность выполнения технологического процесса двух-вентиляторной дробилки ДД как блок-модуля. В рассматриваемой пневматической системе воздушный поток содействует транспортированию грубых кормов, поскольку он достаточно интенсивен и имеет необходимую скорость (20-30 м/с). При рассмотрении процесса транспортирования грубых кормов венти-лятором-швырялкой его обычно разделяют на несколько характерных этапов: -движение воздушно-кормового потока в кожух через входное окно; -движение стебельчатого материала по лопасти швырялки; -движение корма по стенке кожуха; -выброс готового корма из кожуха в загрузочный патрубок ДД. Исследуя скорость выброса корма лопастями швырялки, ранее было установлено, что наименьшая энергоемкость транспортирования имеет место при радиальном расположении лопастей. Причем, есть основание полагать, что центр масс порции корма располагается близко к стенке кожуха и направление абсолютной скорости его меньше отклоняется от траектории полета отдельно взятой частицы. На равномерность работы вентилятора-швьфялки, как известно, влияет и число лопастей. При его выборе следует руководствоваться тем, чтобы цикл выброса массы первой лопастью заканчивался в момент начала выброса массы второй лопастью. В этом случае создается непрерывность струи выбрасываемого материала. Обычно число лопастей на рабочем колесе можно подсчитать путем деления длины окружности кожуха на длину дуги окна выгрузной горловины. При этом условии, когда Z7 =4-6, обеспечивается равномерная загрузка вала. Таким образом, рассматривая движение воздушно-кормового слоя по лопасти швырялки со скоростью близкой к S0 = 2I7R-r]/60=2\-7-57 м/с, нетрудно видеть, что воздушный поток среди прочих факторов играет важную роль в достижении максимальной скорости схода стеблей, обладающих высокой парусностью.
Выброс стебельчатых кормов из кожуха вентилятора-швырялки. При выбросе кормов из кожуха швырялки практический интерес представляет распределение скоростей потока по сечению Ш-Ш выгрузной горловины размером 480x450 мм в зависимости от скорости вентилятора-швырялки. Результаты экспериментальных измерений показаны в таблице 4.3 Приложения. Полученные данные свидетельствуют о том, что под действием разряжения, создаваемого вращающимися лопастями, центр масс порции корма располагается ближе к стенке кожуха (точка 3). В результате разница в скоростях воздушно-кормового потока по сечению в точках I и II при пв= 510 мин"1, составляет 1,8 м/сек, а при пв= 1490 мин"1 достигает 6,3 м/с. Такой перепад скоростей является характерной отрицательной чертой работы швырялки. Он может привести к неравномерной загрузке ротора двухвентиля-торной дробилки и неравномерному износу ее молотков. Поэтому в процессе работы следует периодически производить перестановку молотков двухвен-тиляторной дробилки.
