Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 8
1.1 Прогрессивные технологии заготовки стебельных кормов 9
1.2 Технологические процессы доставки, подготовки рулонов стебельных кормов к скармливанию и раздачи кормов животным 15
1.3 Механизация подготовки и раздачи стебельных кормов, заготовленных прессованием в рулоны 21
1.4 Конструкции и принципы действия машин для подготовки рулонов стебельных кормов к раздаче 36
1.5 Влияние параметров режущих устройств на процесс резания 45
1.6 Выводы, цель и задачи исследований 53
2 Теория работы разрезающего устройства 55
2.1 Конструктивно-технологическая схема нового разрезающего устройства для рулонов стебельных кормов ::. гт 55 у
2.2 Технологические свойства рулонов и физико-механические свойства стебельных кормов 59
2.3 Теоретическое исследование процесса разрезания рулона 62
2.4 Оптимизация режимов работы разрезающего устройства 85
2.5 Выводы 86
3 Методика экспериментальных исследований и производственных испытаний 88
3.1 Методика лабораторно-полевых экспериментов 88
3.2 Методика обработки опытных данных 108
3.3 Методика проведения производственных испытаний 111
3.4 Выводы 114
4 Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний 115
4.1 Результаты лабораторно-полевых экспериментов 115
4.2 Результаты производственных испытаний опытного образца разрезающего устройства 136
4.3 Технико-экономическая оценка использования разрезающего устройства для рулонов стебельных кормов 143
4.4 Выводы . 152
Общие выводы 153
Библиографический список 155
Приложения 167
- Прогрессивные технологии заготовки стебельных кормов
- Технологические процессы доставки, подготовки рулонов стебельных кормов к скармливанию и раздачи кормов животным
- Конструктивно-технологическая схема нового разрезающего устройства для рулонов стебельных кормов
- Методика лабораторно-полевых экспериментов
Введение к работе
Достижение продовольственной безопасности России возможно только на основе устойчивого развития агропромышленного комплекса. Становление и развитие рыночных отношений в сельском хозяйстве определили формирование и развитие соответствующей системы инфраструктурного обеспечения сельскохозяйственных товаропроизводителей. На сегодняшний день уровень развития производственной инфраструктуры не соответствует потребностям села и не обеспечивает расширенного сельскохозяйственного производства.
Для полного удовлетворения потребностей населения страны в высококачественных продуктах питания и обеспечения сырьем перерабатывающей промышленности необходимо развивать основные отрасли сельского хозяйства: растениеводство и животноводство. Это можно обеспечить расширением сферы применения эффективных ресурсосберегающих технологий, достижений науки и передовой практики.
В настоящее время в регионах России, как итог реорганизации колхозов и совхозов, формируются и развиваются фермерские хозяйства, кооперативы и хозяйства населения [1 —4]. Удельный вес сельскохозяйственных организаций крупного производства в валовой продукции снизился с 74 % в 1990 году до 41 % в настоящее время, а хозяйств населения, напротив возрос с 26 до 53 % в целом и, в частности, за счет продукции животноводства [1,2].
Мелкотоварное производство занимает большой удельный вес и в связи с этим большой объем работ приходится на ручной труд, так как применение специальных машин для малых хозяйств нецелесообразно при их объеме производства [2,4]. В свою очередь это требует развитие новых наименее энергоемких и менее металлоемких машин и орудий, доступных для данного круга сельскохозяйственных производителей, которые позволили бы повысить производительность труда, снизить трудовые, материальные и энергетические затраты на производство продукции.
Одним из условий успешного развития животноводства является создание прочной кормовой базы, что связано с применением прогрессивных методов уборки и хранения кормов. За рубежом и в России широко применяется технология заготовки стебельных кормов прессованием в рулоны. Данная технология позволяет механизировать все технологические операции, снизить потери материала при осуществлении транспортно-производ-ственного процесса, упростить процесс контроля и повысить сохранность заготавливаемого корма [5].
Наиболее энергоемкие операции этого процесса, такие как скашивание, прессование, погрузочно-разгрузочные работы, транспортировка и штабелирование, оправдывают применение на них энергоемких машин, так как от своевременности этих операций напрямую зависит качество получаемого корма, что требует проведение их в сжатые сроки.
Однако больше всего нерешенных вопросов при заготовке кормов в рулонах приходится к их использованию. Процесс раздачи кормов - один из самых трудоемких и наименее механизированных, как следствие этого до 40 % всех затрат труда по обслуживанию животных приходится на доставку и раздачу кормов, при этом в мелкотоварном производстве наибольший объем работ приходится на долю ручного труда. Структурная особенность прессованных рулонов стебельных кормов, обусловленная послойным закручиванием при его формировании, определила необходимость разрушения этой структуры для раздачи кормов животным, поэтому большинство вопросов в основном связано с трудностями разделения и разрыхления массы рулона, что требует значительных затрат труда, поэтому возникает необходимость применения специальных машин.
Для механизации наиболее сложной и трудоемкой операции разделки рулонов в малых хозяйствах рационально использовать технологию подготовки рулонов стебельных кормов к раздаче разделением рулона на слои посредством его разрезания.
Принимая во внимание, что до 60 % затрат в производстве продукции животноводства приходится на корма [6], весьма актуальным является создание ресурсосберегающих технологий и машин для совершенствования способов заготовки, хранения и раздачи кормов.
Совершенствование технологического процесса доставки и подготовки рулонов стебельных кормов к скармливанию разрезанием, за счет комбинирования и объединения операций в один технологический процесс, путём разработки нового разрезающего устройства к универсальному погрузчику, является актуальной задачей, решение которой имеет важное значение на пути механизации трудоемких процессов и сокращения затрат труда в животноводстве.
Прогрессивные технологии заготовки стебельных кормов
Одним из наиболее ценных среди грубых стебельных кормов является сено. Правильно приготовленное сено обладает высокой кормовой ценностью, сено содержит много протеина, является важным источником перевариваемой энергии, каротина и других жизненно важных питательных веществ [13-16].
Отсутствие высококачественных грубых кормов в рационе кормления скота приводит к недобору животноводческой продукции, вынужденному повышению расхода концентратов, снижению репродуктивной способности скота, сокращению на 30...50 % потенциальной продолжительности периода продуктивного использования скота [14, 15].
Высокие затраты на производство и использование кормов ведут к повышению себестоимости продукции. В среднем по стране, в настоящее время на долю затрат на корма в структуре себестоимости молока и прироста живой массы крупного рогатого скота (КРС) приходится свыше 60% [6, 17].
Перспективные технологии заготовки грубых кормов наряду с механизацией производственных операций и снижением затрат труда, должны обеспечивать повышение качества заготавливаемого корма.
В настоящее время заготовка грубых кормов в прессованном виде считается наиболее прогрессивным способом заготовки кормов. Технология заготовки грубых кормов прессованием обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной технологией заготовки грубых кормов в рассыпном виде [6,12, 13, 16-21].
При заготовке прессованного сена влажность массы может быть 20...24 %, когда рассыпное сено приготавливают из трав высушенных до влажности 14...17%. Это позволяет производить уборку в более короткие сроки. В зависимости от технологии прессования можно заготавливать и более влажное сено (25...35%) или сенаж (50...60%) [13, 16].
Заготовка грубых кормов прессованием позволяет в полтора-два раза уменьшить потери питательных веществ и каротина, способствует повышению качества корма в результате снижения потерь листьев; позволяет уменьшить затраты труда при заготовке сена на 13.,.15 %, а себестоимость на 21 %, также можно увеличить общий сбор сена (корма) на25...30%[19...21].
Доля испорченных грубых кормов при хранении их в рассыпном виде в стогах составляет в среднем 25...30 %. При хранении в стогах прессованных грубых кормов потери составляют 10...15 % [14, 15, 18, 21].
Большая плотность прессования позволяет лучше использовать грузоподъемность транспортных средств и площади хранилищ, увеличивает срок хранения корма до 3 лет, что позволяет хозяйствам создавать страховой запас, расходуемый в засушливые неурожайные годы.
Технология приготовления прессованного сена включает скашивание, ворошение, прессование, погрузку рулонов в транспортное средство, транспортировку к месту хранения, разгрузку и формирование штабеля.
Рулонная технология - одна из наиболее перспективных технологий, позволяющих комплексно механизировать заготовку кормов. Среди прессовальной техники рулонные пресс-подборщики занимают доминирующее положение на мировом рынке, что объясняется их существенными преимуществами перед пресс-подборщиками, формирующими прямоугольные тюки [12, 18].
Рулонные пресс-подборщики просты по конструкции, имеют высокую надёжность, улучшенные энергетические показатели, удобны в обслуживании, оснащены устройствами автоматического контроля за рабочим процессом, универсальны, обеспечивают высокое качество и хорошую сохранность заготавливаемого корма.
Рулонные пресс-подборщики затрачивают 80... 125 Вт/кг в зависимости от плотности прессования, а пресс-подборщики формирующие прямоугольные тюки 120...200 Вт/кг [18, 22, 23].
По данным зарубежных фирм традиционный рулонный пресс-подборщик способен заменить три пресс-подборщика для формирования прямоугольных тюков, а крупногабаритный - пять [24].
С помощью рулонных пресс-подборщиков можно заготавливать сено, сенаж, солому, лен, а с применением устройств для герметичной упаковки рулонов в синтетическую пленку стала возможным заготовка силосной массы для длительного хранения [24, 25].
Определяющий элемент конструкций рулонных подборщиков — пресс-камера постоянного или переменного объема. Получаемые в таких прессах рулоны имеют различную структуру. В камере постоянного объема получают рулоны с рыхлой сердцевиной и менее выраженной структурой, слоистость проявляется ближе к периферии. В камере переменного объема происходит строгое послойное наматывание и формирование рулона, начиная с сердцевины, что способствует более легкому их разматыванию. Рулоны, полученные в камере переменного объема, имеют четкую послойную структуру и наиболее равномерную плотность, что имеет особое значение при заготовке льна и прессовании хлопка.
В качестве обвязки обеспечивающей фиксацию и сохранность формы рулона может использоваться шпагат, сетка или их сочетание.
Рыхлая сердцевина рулона обеспечивает досушивание и вентилирование массы рулона, при хранении сена. Поэтому некоторые модели пресс-подборщиков с переменной камерой оснащают устройством для формирования рыхлой сердцевины рулона с возможностью регулировать её диаметр [24].
Технологические процессы доставки, подготовки рулонов стебельных кормов к скармливанию и раздачи кормов животным
Значительное распространение заготовки сена и сенажа прессованием в крупногабаритные рулоны потребовало создания соответствующей техники для погрузки, транспортирования и раздачи прессованных кормов.
Несмотря на явные преимущества рулонной технологии заготовки прессованных объемистых кормов, широкое её внедрение сдерживается сложностью возникающей при раздаче заготовленного корма, вследствие необходимости разрушения рулона, при подготовке корма к раздаче животным.
Операция разделки и раздачи рулонов наиболее сложная и трудоемкая. Структурная особенность прессованных рулонов грубых кормов обусловленная послойным закручиванием при его формировании, определила необходимость разрушения этой структуры при раздаче животным. Трудности разделения и разрыхления массы рулона, обуславливают необходимость применения специальных машин, так как с учетом размеров и структуры рулона, эта операция требует больших физических усилий, чтобы обеспечить возможность подачи корма на кормораздающий транспортер или в кормушки. В мировой практике наметилось несколько направлений механизации этого процесса [34].
Большинство направлений нацелено на создание специальных кормо-раздающих машин для рулонов кормов. Такие машины необходимы для обслуживания крупных и средних животноводческих ферм, являются энергоемкими машинами и требуют дополнительное энергетическое средство для агрегатирования машины. Но для малых хозяйств применение таких машин экономически нецелесообразно при их объеме производства, кроме того, такие машины не всегда применимы в условиях животноводческих помещений.
Доставка необходимого количества рулонов на ферму осуществляется в погрузочно-транспортном процессе, с участием погрузчика, транспортного средства или непосредственно кормораздатчика. Рулоны отбираются из штабеля, при помощи фронтальных погрузчиков с приспособлениями: ПТ-Ф-500; ППУ-0,5; ППЛ-0,5; ППР-800 [12, 18,35,36]. Загружаются в транспортные средства или же транспортируются самим погрузчиком. Это зависит от условий конкретного хозяйства, на что сказываются следующие факторы: - поголовье обслуживаемых животных; - объемы производства животноводческой продукции; - вид хранилища; - расстояние до хранилища; - занятость погрузчика в других технологических процессах; - наличие или отсутствие резерва на ферме; - применяемый раздатчик рулонов.
Применяемая схема должна быть нацелена на минимизацию погрузоч-но-перегрузочных и транспортных операций.
Погрузка рулонов в кормораздатчик осуществляется тем же погрузчиком или же устройством самопогрузки машины при его наличии.
Раздача рулонов кормов может осуществляться по трем технологическим схемам с применением специальных машин: размотчиков (размотчиков-раздатчиков), разрезчиков (разрезчиков-раздатчиков) или измельчителей-раздатчиков кормов в рулонах (рисунок 1.1, 1.2, 1.3). От применяемого типа машины зависит используемый погрузочно-транспортный процесс и приемы раздачи кормов в рулонах. При этом независимо от типа машины выемка рулонов из штабеля осуществляется погрузчиком с приспособлением для захвата рулонов, которое должно обеспечивать манипуляции для придания рулону соответствующего положения (вертикального или горизонтального) при загрузке в машину или для подготовки к самозагрузке. Операция разделки рулона в различных схемах в зависимости от конструкции рабочего органа машины может производиться как со стороны основания так и по образующей. Рисунок 1.3 - Технологические линии доставки и подготовки рулонов стебельных кормов к раздаче с помощью разрезчика: а) с ножом штыревого типа; б) «аллигаторного» типа.
В соответствии с этим, технологии подготовки и раздачи стебельных кормов в рулонах животным можно разделить по степени механизации процесса и затратам ручного труда:
- полностью механизированная раздача, с возможностью измельчать выдаваемый корм и подавать его равномерным потоком для скармливания. Загрузка рулонов производится с помощью погрузчика или устройством самозагрузки. В таких линиях применение ручного труда сводится к снятию обвязочного материала или упаковки;
- раздача механизированная с обеспечением разрушения рулона и возможностью подавать корм в кормушки или на кормораздающий транспортер без измельчения. В большинстве случаев в этой технологии также предусмотрена самозагрузка. Применение ручного труда также сводится к снятию обвязочного материала или упаковки;
- с механизацией процесса разрушения целостности рулона, для обеспечения возможности раздачи корма вручную или для загрузки в кормораздатчик. Данная схема применяется при малом поголовье скота и в случае беспривязного, загонного содержания животных. Также возможно использование для загрузки рулонов кормов в кормораздатчик адаптированный к работе с длинностебельными кормами.
Рассмотренным технологическим схемам соответствуют следующие группы машин применяемые, в этих линиях подготовки и раздачи кормов:
Измельчители-раздатчики являются наиболее оптимальными машинами, с точки зрения, обеспечения механизации процесса раздачи рулонов кормов. Они обеспечивают измельчение рулонов, распределение кормов непосредственно в кормушки или на кормовой стол с достаточно хорошей равномерностью.
Измельчение рулонов в таких машинах может производиться как со стороны основания, так и по образующей, в соответствии с этим такие раздатчики различаются по конструкции бункера и измельчающего аппарата. Это машины с цилиндрическими бункерами или бункерами кузовного типа, с дисковыми роторами, барабанными измельчающими аппаратами или двухступенчатым измельчением с органами битерного типа с дисковыми и сегментными ножами.
Конструктивно-технологическая схема нового разрезающего устройства для рулонов стебельных кормов
При раздаче кормов заготовленных в рулонах, для механизации наиболее сложной и трудоемкой операции разделки рулонов предлагается использование новой конструктивно-технологической схемы разрезающего устройства к фронтальному погрузчику ПКУ-0,8 (или ПФ-0,5) [87].
Применение предлагаемого разрезающего устройства позволит высвободить технику и повысить производительность за счет выполнения операций выемки рулона, транспортировки и подготовки к раздаче разделением рулона на слои посредством его разрезания, одной машиной, в одном технологическом процессе с минимальным числом операций. Новизна предлагаемой конструктивно-технологической схемы разрезающего устройства подтверждена патентом РФ № 2318366 (Приложение 1) [88].
Разрезающее устройство для рулонов стебельных кормов состоит из рамы 1 (рисунок 2.1.) и жестко закрепленного на ней бруса 2, представляющего плоский штырь. На брусе в направляющей 3 установлен нож 4, приводимый в возвратно-поступательное движение от гидропривода.
Штырь 2, выполнен из листовой стали и имеет кронштейн для крепления к раме. Крепится штырь с помощью болтового соединения, к центральной вертикальной стойке рамы.
На штыре, посредством поворотных опор 5 установлена направляющая 3 ножа, с возможностью перемещаться относительно штыря, для выдвижения ножа. Направляющая образует вместе с гранью штыря паз для установки ножа и выполнена в виде стальной пластины объединенной с дистанционным выступом и вкладышами из антифрикционного материала, для упора и направления ножа.
Одна сторона направляющей закреплена на опоре, выполненной с кронштейном для крепления штока гидроцилиндра выдвижения. 1 - рама; 2 - брус; 3 - направляющая; 4 - нож; 5 - поворотные опоры; 6 - гидромотор; 7 - кривошипно-шатунный механизм; 8 - гидроцилиндр. Нож 4 установлен лезвием вверх на вкладышах в пазу, по которым он скользит при движении.
Привод ножа выполнен в виде гидромотора 6 и кривошипно-шатунного механизма 7. Выдвижение ножа относительно штыря обеспечивается гидроцилиндром 8. а) разрезание рулона для подачи и распределения кормов вручную; б) разрезание рулона с раздачей кормораздатчиком.
Работает устройство следующим образом: трактор с погрузчиком и разрезающим устройством подъезжает к штабелю с ориентацией устройства по отношению к отбираемому рулону. Выемка рулона из штабеля производится после внедрения штыря в центр основания рулона за счет напорного действия погрузчика. Рулон транспортируется к месту раздачи, где производится его разрезание, от центра рулона к периферии. При включении гидропривода, нож выдвигается вверх относительно штыря, и совершая возвратно поступательные движения, обеспечивает прорезание обвисающего на штыре материала. После того как нож перережет последний слой, рулон распадется на отдельные слои, что облегчит его раздачу животным. Перерезанная обвязка останется на земле. В случае работы с мобильным кормораздатчиком обвязку необходимо удалить предварительно.
Так как нож установлен лезвием вверх, подачу рулона при резании обеспечивает гравитационный подпор, за счет силы тяжести самого рулона. Резание становится возможным благодаря сообщению ножу тангенциального движения, обеспечивающего существенное снижение необходимого нормального давления на лезвии. При этом, усилие на привод ножа значительно ниже, чем при статическом резании, в результате разрезающее устройство имеет минимальную энергоемкость процесса резания рулона.
Снижение усилия резания, обусловлено кинематической трансформацией угла заточки, переносом части силы трения с нормального на тангенциальное направление, кинематической трансформацией кромки лезвия и пилящим воздействием кромки.
Все перечисленные операции простые, состоящие из одного действия они не требуют от оператора высокой квалификации и напряженности.
При подъеме, удержании и транспортировке, обеспечение надежного удержания достигается некоторым завалом устройства с рулоном в сторону погрузчика.
Благодаря вышеперечисленным преимуществам, главными из которых являются высвобождение техники и повышение производительности за счет выполнения операций выемки рулона, транспортировки и его разрезания, одной машиной, данное разрезающее устройство позволяет расширить номенклатуру работ выполняемых универсальным погрузчиком. Простота выполняемых операций обеспечивает эффективность работы при подготовке к раздаче рулонов стебельных кормов.
Методика лабораторно-полевых экспериментов
Процесс резания лезвием характеризуется тем, что разделение материала происходит без образования стружки, а разрез формируется смятием стенок прорези фасками ножа, начиная с зоны непосредственного контакта режущей кромки с материалом.
Разделению материала на части под воздействием лезвия предшествует процесс предварительного сжатия им материала до возникновения на кромке разрушающего контактного напряжения о . Момент возникновения последнего определяется значением усилия, прикладываемого к ножу и преодолевающего ряд сопротивлений различного происхождения, возникающих в материале. При углублении лезвия в слой материала толщиной h на величину ксж, когда на его режущей кромке возникает разрушающее контактное напряжение о , завершается процесс сжатия материала и начинается процесс резания [75]. При этом нож под воздействием приложенной нагрузки внедряется в материал, прорезая его и движется преодолевая действие сжимающих, обжимающих сил и сил трения на поверхностях ножа (рисунок 2.4).
При движении ножа в материале на него действуют следующие силы: FPE3 - сила сопротивления резанию, сосредоточенная на кромке лезвия и определяемая разрушающим контактным напряжением, Н; ОБЖ сила обжатия фаски лезвия, результирующая сил сопротивления слоя сжатию фаской лезвия, направленной по линии движения и силы сопротивления смятию слоя фаской в направлении перпендикулярном движению, Н; FjPEIl — сила трения на фаске лезвия, под действием силы обжатия фаски, Н; РОБЖ ОБЖ силы обжатия боковых граней ножа, разрезаемым слоем материала, Н; FTPEH FPEH силы трения на боковых гранях ножа, возникающие под действием сил обжатия граней, Н.
Ввиду того, что рулон находится в свободноподвешенном состоянии, то при внедрении лезвия в материал и смятии стенок прорези фаской ножа, обжатие распределяется равномерно, то величина сопротивления перемещению от сил трения на поверхности ножа определится через силы обжатия ОБЖ ОБ Ж на боковых гранях ножа, с учетом перераспределения на обжатие фаски лезвия JF K.
Для определения силы сопротивления резанию при скользящем движении ножа рассмотрим следующую схему (рисунок 2.5). Рисунок 2.5 - Схема к определению силы сопротивления резанию От силы тяжести материала, на нож по всей длине рулона, в вертикаль ной плоскости действует распределенная нагрузка, оцениваемая силой дав ления N = т- g, (2.6) где т — полная масса рулона, кг; g - ускорение свободного падения, м/с . На кромке лезвия ножа возникает сила сопротивления - реакция от нормальной силы давления р Ы_рУ4 ЫГ _ рУП _ РУФ (О 1\ rN ly ГТРЕН ГТРЕН ГТРЕН гОБЖ % ) где Тф,т,ТГ - соответственно проекции сил трения на фаске лезвия и сил трения на боковых гранях ножа на вертикальную ось - OY. FTptn = РоБЖ / C0S fit C0ST (2-8) = Fom-f-cosT, (2.9) где /- коэффициент трения материала рулона по стали; /? - угол заточки лезвия, рад; Д- - трансформированный угол заточки лезвия, угол заточки а=_ направлении скольжения, рад.
При сообщении ножу движения в тангенциальном направлении на кромке лезвии ножа возникает результирующая сила сопротивления R, тангенциальная составляющая которой, приложенная к лезвию ножа, равна:
где Р — сила приложенная к ножу в тангенциальном направлении, Н; FTPEH FTPEH FTPEH соответственно проекции сил трения на фаске лезвия и сил трения на боковых гранях ножа на горизонтальную ось - ОХ.
Во время движения ножа материал под действием силы тяжести подается только в том направлении, которое соответствует минимальному сопротивлению его движения.
В отличие от того, когда нож, принудительно внедряемый в материал, движется в заданном направлении, в рассматриваемом случае резание осуществляется с подачей материала по неопределенной траектории, преодолевая воздействие двух взаимно перпендикулярных сил FN и FT на кромке лезвия, величины которых меняются в процессе движения системы. При этом переменное сопротивление в материале, приводит в случае его увеличения к уменьшению FN нормальной составляющей результирующей силы R резания и возрастанию силы прикладываемой в тангенциальном направлении Р вследствие соответствующего увеличения FT. В этих случаях тангенциальная сила создает значительные тангенциальные перемещения, для углубления лезвия в материал. Таким образом, нож внедряется в материал не по прямой линии, а по ломаной и тангенциальная составляющая пути лезвия оказывается относительно большой, что обуславливает большую относительную величину коэффициента скольжения.
Сила резания FPE3 приложена в направлении линии разреза и при скользящем резании не совпадает с направлением равнодействующей R сил приложенных к кромке лезвия ножа. Угол т отклонения линии разреза от вертикали всегда больше угла а отклонения равнодействующей.
Похожие диссертации на Совершенствование технологического процесса и обоснование параметров устройства для разрезания рулонов стебельных кормов
