Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВА НИЙ 15
1.1. Основные направления ресурсосбережения в кормопроизводстве 15
1.1.1. Механизация заготовки сенажа 16
1.1.2. Приготовление рассыпных полнорационных кормосмесей 25
2. РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И
СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ В КОРМОПРОИЗВОДСТВЕ 64
2.1. Функциональная взаимосвязь основных факторов, влияющих на эффективность приготовления сенажа и полнорационных рассыпных кормо
смесей, и ее вероятностно-математическая модель 64
2.1.1. Классификация технологий и средств механизации приготовления и хранения сенажа 71
2.1.2. Методика выбора валков рациональной формы при заготовке сенажа 74
2.1.3. Разработка приспособления к косилкам-плющилкам для образования шатровых валков 83
2.2. Классификация сепарирующих устройств для отделения инородных
твердых примесей от стебельных кормов 86
2.2.1. Обоснование способа очистки корма и технологической схемы сепарирующего устройства 90
2.2.2. Физико-механические свойства грубых стебельных кормов и инородных примесей, их влияние на качество очистки 101
2.2.3. Аэродинамические свойства разделяемых компонентов и их взаимосвязь 106
2.2.4. Данные исследований и методика определения некоторых физико-механических и аэродинамических свойств сепарируемых компонентов... 109
2.3. Классификация измельчителей-смесителей кормов 118
2.3.1. Технологическая схема и принцип работы модернизированного измельчителя-смесителя кормов 120
2.4. Классификация и анализ технических средств для дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей 123
2.4.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы дозатора сдабривателя рассыпных кормосмесей 131
2.5. Классификация бункеров-накопителей для трудносыпучих кормов 138
2.5.1. Разработка технологической схемы гидрофицированного бункера накопителя закрытого типа 146
3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ И СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЕНАЖА И ПОЛНОРАЦИОННЫХ КОРМОСМЕСЕЙ 151
3.1. Обоснование конструктивно-режимных параметров приспособления к косилкам-плющилкам 151
3.1.1. Экспериментально-теоретическое определение месторасположения и конструктивных параметров делителя 151
3.1.2. Определение диаметра стеблеукладчиков 154
3.1.3. Определение длины боковой грани формирователя и высоты его расположения над уровнем поля 160
3.1.4. Теоретические предпосылки и определение некоторых параметров направляющих и отражательных щитков приспособления 162
3.2. Процесс сепарации корма от инородных твердых примесей 178
3.2.1. Математическое описание рабочего процесса сепарирующего устройства 178
3.2.2. Расчет подпружиненного клапана сепарирующего устройства 195
3.2.3. Пропускная способность кормоочистительного устройства 208
3.3. Методика выбора основных параметров модернизированного измельчителя ИСК-3 210
3.3.1. Обоснование формы и параметров ножей и противорезов 210
3.3.2. Определение частоты вращения ножевого ротора измельчителя-смесителя кормов 217
3.3.3. Производительность измельчителя-смесителя кормов 219
3.3.4. Определение энергоемкости одновременного доизмельчения и смешивания кормов 223
3.4. Теоретический анализ процесса дозирования кормовой смеси дозато ром-сдабривателем предложенной конструкции 227
3.4.1. Анализ работы дозирующего лопастного барабана 227
3.5. Теоретический анализ рабочего процесса гидрофицированного бунке
ра-накопителя 264
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ С РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕМ 281
4.1. Экспериментальные исследования приспособления к косилкам плющилкам 281
4.1.1. Общая методика исследований 281
4.1.2. Основные факторы, влияющие на коэффициент полеглости, их условные обозначения и намеченные уровни варьирования 282
4.1.3. Крутое восхождение по поверхности отклика 283
4.1.4. Результаты крутого восхождения по поверхности отклика при исследовании показателя полеглости валков шатровой формы, образованных косилкой-плющилкой с приспособлением 287
4.1.5. Исследование области оптимальных условий процесса образования шатрового валка 291
4.1.6. Результаты и анализ исследований полеглости шатровых валков, получаемых после КПВ-3 с приспособлением (описание почти стационарной области) 298
4.2. Экспериментальные исследования сепарирующего устройства 307
4.2.1. Программа и общая методика исследований 307
4.2.2. Выбор критерия оптимизации процесса пневмосепарации грубых стебельных кормов 312 4.2.3. Методика проведения экспериментов, крутое восхождение по поверхности отклика и его результаты при исследованиях степени очистки грубых стебельных кормов 316
4.2.4. Исследование области оптимальных условий процесса очистки, результаты и анализ исследований в почти стационарной области 320
4.3. Экспериментальные исследования модернизированного измельчителя смесителя 329
4.3.1. Выбор критерия оптимизации 329
4.3.2. Выбор факторов, наиболее сильно влияющих на критерии оптимизации 331
4.3.3. Подготовка экспериментальной установки и измерительной аппаратуры 332
4.3.4. Проверка достоверности теоретических предпосылок 336
4.3.5. Результаты и анализ многофакторного эксперимента 339
4.4. Экспериментальные исследования дозатора-сдабривателя 347
4.4.1. Программа исследований 347
4.4.2. Определение физико-механических свойств кормов 349
4.4.3. Методика проведения экспериментальных исследований дозатора-сдабривателя 351
4.4.4. Выбор и обоснование критериев оптимизации 354
4.4.5. Выбор факторов и уровней их варьирования 359
4.4.6. Анализ результатов экспериментальных исследований 363
4.5. Методика и некоторые результаты экспериментальных исследований гидрофицированного бункера-накопителя 369
4.5.1. Изменение плотности корма по длине гидрофицированного бункера-накопителя 3 69
4.5.2. Полнота загрузки бункера-накопителя 373
4.5.3. Кинетика выгрузки корма из бункера-накопителя 374
4.5.4. Динамика силового воздействия выгружаемого корма на опорные колеса кормораздатчика 378
5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАБОТЫ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЕНАЖА И ПОЛНОРАЦИОННЫХ РАССЫПНЫХ КОРМОСМЕСЕЙ 382
5.1. Производственные испытания предложенных технических решений... 382
5.2. Экономическая эффективность усовершенствованных технологий и средств механизации для приготовления сенажа и полнорационных рассыпных кормосмесей 392
Общие выводы 403
Список литературы 407
Приложения 4
Введение к работе
Актуальность проблемы. Животноводство - важнейшая отрасль сельского хозяйства России. Удельный вес продукции животноводства в денежном выражении составляет около половины всей валовой продукции сельского хозяйства, а в районах интенсивного животноводства - более 60 %.
Главной задачей животноводства является увеличение производства и повышение качества животноводческой продукции.
В настоящее время в сельскохозяйственном производстве произошли большие организационные изменения. Наряду с коллективными действуют фермерские и крестьянские хозяйства, а также различные акционерные общества. В этих условиях повышение интенсивности производства качественной животноводческой продукции является наиболее рациональным. Учитывая то, что на современном этапе развития сельскохозяйственное производство не имеет достаточного финансирования и материально-технического оснащения, повышать интенсивность производства можно прежде всего через ресурсосбережение [175].
Слово «ресурс» в переводе с французского означает «вспомогательное средство», которым могут быть материальные ценности, возможности организационного и технологического характера. В данном случае под ресурсосбережением понимаются ресурсосберегающие технологии и средства механизации в кормопроизводстве [301].
Учитывая то, что корма являются одним из самых важных факторов, влияющих на производство продукции животноводства, разработка ресурсосберегающих технологий и технических средств в кормопроизводстве является актуальнейшей задачей. Это связано прежде всего с большой энергоемкостью каждой операции при подготовке кормов к скармливанию и касается как полевого цикла приготовления, так и стационарного, когда корма готовятся в кормоцехах. Также немаловажным является тот факт, что некоторые технологии приготовления кормов требуют дополнительных операций, а значит, и дополнительных средств механизации. Это влечет за собой повышение металлоемкости всего процесса приготовления кормов. Не всегда технологии и средства механизации способны обеспечить своевременную и качественную подготовку кормов, соответствующую зоотехническим нормам. Корма необходимо приготавливать в таком виде, который обеспечивает легкую усвояемость питательных веществ и использование их организмом животных с максимальной отдачей.
Оптимальные результаты достигаются при этом за счет сбалансированного кормления животных, без увеличения поголовья скота и дополнительных затрат на расширение кормовой базы. Кормление, например, крупного рогатого скота полнорационными кормовыми смесями позволяет сэкономить 10-15 % кормов, повысить надои у коров на 5-9 %, поднять привесы у молодняка на откорме на 10-15 % по сравнению с показателями при поочередном скармливании каждого компонента рациона [82, 83, 116, 122, 150, 180, 224, 281, 328, 330]. По данным БелНИИЖ [5], перевариваемость питательных веществ рассыпных кормосмесей на 22 % выше, чем гранулированных, и на 9,6 % выше, чем брикетированных, а трудоемкость и энергоемкость приготовления рассыпных кормосмесей гораздо ниже.
Это обстоятельство сыграло не последнюю роль в уменьшении доли гранулированных и брикетированных кормов в кормовой базе. К тому же сказалась и высокая стоимость электроэнергии в последнее время, поскольку производство этого вида кормов связано с ее большими затратами. Поэтому использовать эти виды кормов целесообразно лишь там, где это предусматривается зоотехническими требованиями, следовательно, тенденции к увеличению их производства в настоящее время практически нет.
Одним из главных условий наиболее рационального использования кормов является сбалансированность рационов для животных по основным питательным веществам, протеину, макро- и микроэлементам, витаминам. Такую сбалансированность обеспечивают полнорационные кормовые смеси, получение которых идет преимущественно по двум направлениям: непосредственно на фермах и комплексах из силоса, сенажа, соломы, корнеплодов, концентрированных кормов, раствора мелассы с карбамидом и при заготовке сочных и грубых травосмесей [76, 78, 79, 82, 125, 145, 180].
Балансирование рационов для крупного рогатого скота и овец осуществляется более чем по 20 показателям, а для свиней и птицы - по 50-80. Сбалансированные рационы позволяют повысить отдачу кормов на 15-50% [282].
Полнорационные кормовые смеси, как правило, готовят в кормоцехах, построенных по индивидуальным или типовым проектам. На фермах КРС наибольшее распространение получили кормоцеха КЦК-5-1, КЦК-5-2 (типовые проекты 801-460 и 801-461), КОРК-15 (типовой проект 801-6-4-83). В таких кормоцехах приготавливают кормовые смеси из силоса или сенажа, грубых кормов, концентратов, корнеклубнеплодов, различных питательных и минеральных добавок. Существующие технологии и технические средства для получения таких кормосмесеи по многим показателям отвечают зоотехническим требованиям, хотя и имеют ряд недостатков. Суточный объем кормов, приготавливаемых в таких кормоцехах, составляет от 20 до 180 т при часовой производительности от 10 до 25 т. Таким образом, они могут обслуживать поголовье дойного стада от 400 до 2000 голов и от 2000 до 10000 голов молодняка на откорме [295, 296].
Общей тенденцией в кормлении сельскохозяйственных животных является использование сбалансированных кормосмесеи с минимальным количеством входящих в них компонентов. Получение таких кормосмесеи возможно лишь при включении в них кормов с высоким содержанием питательных веществ и оптимальным их соотношением и концентрацией. Это объясняется тем, что большое количество компонентов усложняет процессы механизации приготовления и ведет к значительному удорожанию кормосмесеи, а значит, и получаемой животноводческой продукции. К тому же современный уровень развития коллективных, и особенно фермерско-крестьянских, хозяйств не позволяет широко использовать механизацию в кормопроизводстве. Известно, что минимизация компонентов в составе для КРС может быть достигнута за счет введения в них сенажа.
Сенаж по переваримости и влиянию на продуктивность животных сам по себе незначительно уступает исходной зеленой массе, а по поедаемости выше, чем зеленая трава [281].
Этот вид корма может скармливаться жвачным животным как монокорм [19]. При этом продуктивность животных не падает даже при отсутствии в рационе сена и корнеклубнеплодов и при значительном уменьшении количества концкормов. Наиболее питательный и калорийный сенаж получается из бобовых трав: люцерны, эспарцета, клевера и некоторых других. Технология заготовки сенажа позволяет получать этот вид корма практически на всей территории нашей страны за исключением отдельных районов, неблагоприятных для произрастания этих трав. Однако все технологии приготовления стебельных витаминных кормов, в том числе и сенажа, в большой степени зависят от погодных условий. Поэтому совершенствование этих технологий должно сводиться в первую очередь к тому, чтобы сделать их как можно более независимыми от метеоусловий. Отсюда кратковременность провяливания трав до се-нажной влажности 55-60 % является главной проблемой в заготовке сенажа.
Различные предложения, связанные с искусственной сушкой трав как в полевых, так и в стационарных условиях при заготовке этого вида корма пока что не приобрели широкого практического применения ни в нашей стране, ни за рубежом. Многие исследователи склоняются к тому, что интенсифицировать процесс провяливания трав до сенажной влажности следует в полевых условиях естественным путем через плющение скашиваемых растений, оборачивание и ворошение валков и образование валков рациональной формы после косилок и косилок-плющилок [106].
Получение сенажа и полнорационных кормосмесей требует больших материальных, энергетических и трудовых затрат.
Поэтому в основу совершенствования технологий и технических средств в кормопроизводстве следует положить разрешение противоречий между по 9 лучением высококачественных кормов и большими материальными, энергетическими и трудовыми затратами. Главный путь преодоления этих противоречий — поиск ресурсосберегающих технологий и средств механизации в кормопроизводстве. Актуальность этой проблемы еще более возрастает в связи с переходом сельского хозяйства на рыночные отношения, когда закупочные цены на продукцию животноводства остаются крайне низкими по отношению к ее себестоимости, а последняя напрямую зависит от себестоимости получаемых кормов.
В то же время утвердившееся сейчас разнообразие форм хозяйствования не позволяет односторонне подходить к решению вопросов по ресурсосбережению при совершенствовании технологий и технических средств в кормопроизводстве, поскольку здесь появляются свои специфические особенности.
Из всего вышесказанного следует, что получение высококачественного сенажа и сбалансированных полнорационных кормосмесей на его основе и на основе других кормов с наименьшими энергетическими, материальными и трудовыми затратами возможно лишь через ресурсосбережение при совершенствовании соответствующих технологий и технических средств в кормопроизводстве. В связи с этим создание рациональных технологий и средств механизации при заготовке сенажа и получение полнорационных сбалансированных кормосмесей, в полной мере отвечающих зоотехническим требованиям, представляют собой актуальную научную проблему народнохозяйственного значения, решение которой обеспечит повышение уровня механизации в кормопроизводстве, качества кормов и снижение себестоимости животноводческой продукции.
Работа выполнялась в соответствии с региональной научно-технической программой «Повышение уровня механизации АПК Саратовской области»; Концепцией-прогнозом развития животноводства в России до 2010 г.; комплексной темой № 4 НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова» «Разработка технического обеспечения аграрных технологий». Цель работы - повышение эффективности приготовления сенажа и полнорационных рассыпных кормосмесеи за счет совершенствования технологий и технических средств с ресурсосбережением в животноводстве.
Объект исследований - технологические процессы кормопроизводства и технические средства, их обеспечивающие.
Научная проблема заключается в получении доброкачественных кормов с наименьшими материальными, энергетическими и трудовыми затратами.
Задачи исследований:
- провести анализ существующих технологий и технических средств для приготовления сенажа и полнорационных кормосмесеи;
- исследовать в системной взаимосвязи факторы, влияющие на эффективность процесса приготовления сенажа и полнорационных рассыпных кормосмесеи;
- разработать ресурсосберегающие способы и средства механизации для приготовления сенажа и полнорационных кормосмесеи;
- научно обосновать новые способы и технические средства, позволяющие более эффективно осуществлять процесс провяливания трав до сенажной влажности;
- научно обосновать новые способы и технические средства для сепарации стебельных кормов от инородных твердых примесей, а также для измельчения и смешивания рассыпных кормосмесеи, дозирования и сдабривания их жидкими питательными добавками, накопления и выгрузки готовой к скармливанию кормосмеси;
- оптимизировать основные параметры новых способов и средств механизации для приготовления сенажа и полнорационных кормосмесеи;
- провести производственную проверку усовершенствованных технологий и технических средств, дать технико-экономическую оценку, сделать выводы.
Научная новизна работы состоит:
- в обоснованной разработке с помощью математических моделей более совершенных технологий и средств механизации для приготовления сенажа и полнорационных рассыпных кормосмесеи; - в получении аналитических зависимостей, описывающих рабочие процессы приспособления к косилкам-плющилками для образования шатровых валков, сепарирующего устройства для отделения инородных твердых примесей от стебельных кормов, измельчителей-смесителей с зубчато-вогнутыми ножами, дозаторов-сдабривателей жидких питательных растворов, бункеров-накопителей для полнорационных кормосмесей в линиях выгрузки кормоцехов;
- в получении экспериментальных зависимостей при оптимизации технологических и конструктивно-режимных параметров при разработке новых технических решений в заготовке сенажа и приготовлении полнорационных кормосмесей с использованием специальных методик, существующих ГОСТов и планирования многофакторных экспериментов.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели решался комплекс задач с применением теоретических и экспериментальных методов исследования.
В качестве основных методик теоретического исследования применялись: логика научных исследований; методы оптимизации; методы классической механики и математического анализа; моделирование в сочетании с математическим планированием экспериментов, получением уравнений регрессии; оценки достоверности и адекватности результатов.
Экспериментальные исследования и производственные испытания разрабатываемых технических средств и процессов выполнены с использованием тензо- и динамометрирования, хронометража, стандартных и оригинальных методик, приборов и установок с последующей обработкой результатов с применением законов математической статистики с помощью ЭВМ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью математических моделей с результатами лабораторно-полевых и эксплуатационных исследований предложенных средств механизации для кормопроизводства.
Теоретические исследования выполнялись с применением математических методов и обрабатывались с помощью современных средств вычислительной техники. Практическая ценность. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют решить важную проблему повышения эффективности работы при получении сенажа и полнорационных рассыпных кормосмесеи.
Реализация технологических и технических решений позволяет повысить производительность всего комплекса машин на заготовке сенажа в 1,5-2,5 раза, снизить энергоемкость получения полнорационных рассыпных кормосмесеи на 25-40 %, а затраты труда при этом уменьшить в 1,2-1,5 раза, получая при этом корма высокого качества.
Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в опытных образцах разрабатываемых машин, которые внедрены в ряде хозяйств Саратовской области. Приспособление к косилкам-плющилкам демонстрировалось на ВДНХ СССР и было отмечено серебряной медалью. Модернизированный измельчитель-смеситель ИСК-3 эксплуатируется в фермерском хозяйстве «Родники» Калининского района, ООО «Куликовское-1» Татищевского района, гидрофицированный бункер-накопитель внедрен в КФХ «Сельская новь» Краснокутского района, приспособление к косилкам-плющилкам внедрено в фермерском хозяйстве «Деревич» Красноармейского района, в 000 «Куликовское-1» и ЗАО «Кушумский» Ершовского района. При решении проблемы повышения эффективности технологии заготовки сенажа и приготовления полнорационных кормосмесеи в кормоцехах типа КОРК-15 в лаборатории «Использование техники в животноводстве» ВИИТиН с 1986 г. приняты к включению в результаты исследований и разработок по плановым заданиям МСХ СССР и Госагропрома СССР научно-технические решения по ресурсосбережению в кормопроизводстве: приспособления к ко-силкам-илющилкам для образования шатровых валков; модернизированный измельчитель-смеситель ИСК-3 с сепарирующим устройством и режущим аппаратом, имеющим криволинейные ножи; дозатор-сдабриватель рассыпных кормосмесеи жидкими питательными добавками; гидрофицированный бункер-накопитель кормов, устанавливаемый в линиях выгрузки кормоцехов. Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и получили одобрение на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ (СИМСХ) (1975-2005 гг.), на научно-практической конференции Западного отделения ВАСХНИЛ в 1975 г. (г. Горки), на научно-практической конференции института социально-экономических проблем развития аграрно-промышленного комплекса в 1986 г. (г. Саратов), на научно-практической конференции ВИИТиН в 1986 и в 2004 г. (г. Тамбов), на научно-практическом выездном семинаре Саратовского облагропрома в 1992 г. (колхоз «40 лет Октября» Краснокутского района Саратовской области), на Всероссийской научно-практической конференции «Вавиловские чтения-2004» (г. Саратов).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 59 печатных работах, из них 26 - в центральных изданиях, поименованных в перечне ВАК, в том числе имеется 12 авторских свидетельств, 4 патента на изобретения. Кроме того, изданы 2 монографии и 2 учебных пособия. Общий объем публикаций 67,85 п.л., из них лично автору принадлежат 35,25 п.л.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
- структурно-функциональная схема и математические модели эффективности приготовления сенажа и полнорационных рассыпных кормосмесей, позволяющих целенаправленно совершенствовать технологии и технические средства, необходимые для осуществления этих процессов;
- конструктивно-технологические схемы и оптимальные параметры ресурсосберегающих способов и средств механизации в приготовлении сенажа и полнорационных рассыпных кормосмесей;
- математические выражения, описывающие рабочий процесс приспособления к косилкам-плющилкам для образования шатровых валков, его пропускную способность и энергоемкость;
- аналитические зависимости для оптимизации скорости воздушного потока пневмосепарирующего устройства к измельчителю-смесителю ИСК-3 и описание рабочего процесса подпружиненного клапана этого устройства; - графоаналитическая зависимость для описания кривизны криволинейно-зубчатых ножей к роторным измельчителям-смесителям типа ИСК-3, математические выражения для определения производительности и энергоемкости процесса измельчения и смешивания;
- математическая модель для выбора оптимального режима работы доза-тора-сдабривателя рассыпных кормосмесеи жидкими питательными добавками;
- теоретические зависимости при обосновании рабочего процесса гидрофи-цированного бункера-накопителя для рассыпных кормосмесеи с учетом их физико-механических свойств;
- результаты экспериментальных исследований, выявляющие ресурсосбережение материальных, трудовых и энергетических затрат в заготовке сенажа при получении шатровых валков, а также в подготовке полнорационных рассыпных кормосмесеи при использовании кормоочистительного устройства и криволинейных ножей к измельчителю-смесителю ИСК-3, дозатора-сдабривателя жидкими питательными добавками и гидрофицированного бункера-накопителя.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы, приложений; общий объем составляет 470 страниц машинописного текста, который включает в себя основной текст и 33 приложения. Основной текст изложен на 337 страницах, содержит 39 таблиц и 136 иллюстраций. Список использованной литературы включает 336 наименований, в том числе 14 на иностранных языках.
