автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование технологии и параметров вакуумированного контейнера для приготовления и хранения силоса

На правах рукописи

Антоненко Надежда Александровна

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПАРАМЕТРОВ

ВАКУУМИРОВАННОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ СИЛОСА

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 4 ОКТ 2013

Мичуринск-наукоград РФ - 2013

005535914

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени профессора П.А. Костычева» на кафедре «Механизация животноводства».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ Некрашевич Владимир Федорович

Макаров Валентин Алексеевич,

доктор технических наук, профессор / Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский

институт механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства, заместитель директора по научной работе

Михеев Николай Владимирович,

кандидат технических наук, доцент / ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», декан инженерного факультета

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский

институт механизации животноводства Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится 21 ноября 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

С авторефератом можно ознакомиться на сайтах Министерства образования и науки Российской Федерации, Ьйр:/\у\у\у.уак.ес1^0у.ги и на сайте универстгета ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» www.mgau.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные и скрепленные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан 16 С'МЛиС'^Хс^ 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, _/ .

кандидат технических наук, доцент Ланцев В.Ю.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Наиболее часто используемые технологии силосования кормов - это силосование в буртах, в траншеях, в полиэтиленовых рукавах. Выбор типа силосных сооружений обусловлен, прежде всего, количеством одновременно закладываемой массы и продолжительностью закладки, потребностью хозяйства в силосованном корме в зависимости от количества имеющегося скота, суточных норм скармливания и продолжительности кормления животных силосом. Однако конструкции силосохранилищ имеются существенные недостатки в герметизации, уплотнении, в заложении зеленой массы и выемке продукта.

Многие специализированные издания отмечают, что основными достоинствами технологии силосования в железобетонной траншее являются: организованное отведение выделяющегося в процессе силосования сока за счёт предварительно сформированных уклонов при укладке плит; сохранение высокой производительности при заложении силосной массы и возможности многократного использования силосохранилища.

Согласно тем же литературным источникам к основным недостаткам технологии силосования в железобетонной траншее следует отнести: потери при заготовке и хранении силоса, которые составляют приблизительно 40% и складываются из потерь на приготовление и хранение силоса в траншеях, на угар силосной массы, потерь от замокания за счет осадков между стеной и кормом; потерь от вторичной ферментации; отсутствие синхронного выполнения технологических операций по укладке и трамбовке силосной массы; невозможность получения качественного силоса (не выше 2-го класса); нет возможности для дальнейшего использования сока, выделяющегося при силосовании; большие затраты при раскрытии траншеи и выемке силоса.

С развитием современных технологий и знакомством с технологиями западных аграриев представилось возможным силосование в полиэтиленовых рукавах. Преимущества этого способа хранения заключаются в том, что потери питательных веществ корма составляют приблизительно 5 7% за счет высокой степени уплотнения зеленой массы внутри мешка, которая достигается с помощью специальных машин - силосопрессов.

Недостатками способа приготовления и хранения силоса в рукавах являются следующие: значительная зависимость от иностранного производителя и высокая стоимость оборудования и материалов; невозможность повторного использования рукавов; их разрывы в результате интенсивного газообразования при силосовании, при повреждении грызунами; сложности при утилизации пленки; необходимость в специальной площадке с твердым покрытием; давление сырья на стенки рукавов должно быть максимально допустимым, чтобы избежать «горбатых» и «кривых» мешков. При этом обязательно следует согласовывать степень поступления консервантов с интенсивностью наполнения мешков. В результате, все эти недостатки сказываются на качестве сохраняемого силоса, на количестве потерь силосуемой массы.

Существующие технологии производства силосованных кормов значительно увеличивают затраты на приготовление и хранение единицы продукции. В связи с этим развитие материально-технической базы производства силосованных кормов возможно только на основе новых знаний и технических решений, позволяющих создавать технологически эффективные комплексы.

Поэтому разработка усовершенствованных технологий приготовления силоса, а также средств для его хранения является актуальной задачей.

з

В нашей работе предложено использовать систему, имеющую качественную герметизацию, устройства для откачки воздуха и удаления газо - жидкостной среды, а также имеется возможность вакуумирования для сохранения отличного качества корма при длительном хранении.

Степень разработанности проблемы. Огромный вклад в решение вопросов по усовершенствованию технологии силосования, использованию современных средств герметизации хранилищ, увеличению сроков хранения кормовых смесей внесли такие исследователи, как В.И. Авраменко, P.A. Галлямов, В.Ф. Некрашевич Ф.С. Хазиахметов, С.Н. Хохрин, Б.Г. Шарифянов, и другие ученые. Наиболее значимыми являются научные разработки ученых Германии (X. Гибельхауен, X. Гинапп, Д. Шпаар), и Республики Беларуси (В. Шлапунов).

Несмотря на значительную проработку проблемы силосования кормовых культур с использованием различных технологий и оборудования, по-прежнему остаются малоисследованными вопросы улучшения герметизации хранилищ, сохранности отличного качества корма при длительном хранении без отходов, использовании при хранении вакуумирования.

Все вышеизложенное предопределило цель и задачи, положенные в основу диссертационного исследования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности процесса приготовления и качества силосованных кормов сельскохозяйственным животным за счет совершенствования технологии силосования и последующего хранения с использованием универсальных вакуумированных контейнеров многоразового использования.

Реализация поставленной цели потребовала решения ряда задач, отражающих логику исследования:

- провести исследование физико - механических характеристик кукурузной массы, используемой в качестве сырья для получения силоса;

- разработать модель функционирования технологической линии приготовления силосованного корма для сельскохозяйственных животных с его хранением в вакуумированных контейнерах многоразового использования;

разработать конструктивно-технологическую схему универсального вакуумированного контейнера многоразового использования;

- теоретически и экспериментально обосновать параметры и режимы работы универсального вакуумированного контейнера многоразового использования;

провести производственную проверку и оценить экономическую эффективность приготовления силоса в вакуумированных контейнерах.

Предмет, объект и информационно-эмпирическая база исследования.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса приготовления и хранения силоса в универсальных вакуумированных контейнерах многоразового использования.

Объект исследования - технологический процесс приготовления и хранения силосованного корма в вакуумированных контейнерах многоразового использования.

Информационно-эмпирическая база исследования формировалась на основе совокупности статистических данных о развитии материально-технической базы сельского хозяйства, экспертных оценок руководителей и специалистов, работающих в аграрной сфере, материалов личных наблюдений.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе аналитическое и теоретическое исследование процесса приготовления и хранения корма в вакуумированном контейнере выполнено на основе математического

моделирования с использованием дифференциальных уравнений, а также с прменением программного комплекса Structure CAD 11.3. Проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях осуществлялось с помощью стандартных и оригинальных методик с использованием теории планирования эксперимента. Обработка результатов экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики с использованием программ Statistika 8.0, MS Excel, Mashcad 14. Экономическая эффективность предлагаемых разработок определялась по стандартной методике для научно-исследовательских работ.

Научная новизна диссертационного исследования. В диссертации получен ряд положений, отличающихся научной новизной и заключающихся:

- в разработке технологии, включающей заготовку зеленой массы (на примере кукурузы), уплотнение в контейнере с отводом части сока, герметизацию, молочнокислое брожение, повторный отвод сока и вакуумирование силоса для длительного хранения;

- в разработке конструкции и обосновании параметров контейнера для выполнения предложенной технологии силосования и хранения силосованного корма;

- в разработке аналитического метода расчета параметров контейнера с учетом изменения температурного режима, происходящего в контейнере, позволяющего определять степень загрузки, величину создаваемого вакуума внутри контейнера и необходимую толщину элементов конструкции.

Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена патентами на полезную модель №129768 «Устройство для силосования кормов», №130783 «Установка для приготовления и хранения силоса».

Теоретическая и практическая значимость. По результатам исследований разработан, изготовлен и испытан в лабораторных и производственных условиях опытный образец универсального контейнера многоразового использования.

Разработанные технология и контейнер для приготовления и хранения силоса с использованием вакуумирования позволяют осуществлять силосование зеленой кукурузной массы с дальнейшим хранением длительное времени с получением силоса первого класса по качеству.

Научные результаты, выносимые на защиту:

На защиту выносятся:

- модель функционирования линии по приготовлению силосованных кормов с использованием вакуумированных контейнеров для приготовления, и хранения силоса.

- конструктивно-технологическая схема вакуумированного контейнера;

- результаты теоретического и экспериментального обоснования параметров и режимов работы контейнера для приготовления и хранения силоса;

- результаты производственных испытаний и экономических расчетов использования вакуумированных контейнеров для производства и хранения силоса.

Реализация результатов исследований. Производственный образец испытан в животноводческом комплексе ООО «Путь Ленина», который находится на территории села «Плахино» Захаровского района Рязанской области. Кроме того, полученные результаты используются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплине «Механизация животноводства» на инженерном факультете ФГБОУ ВПО Рязанский ГАТУ имени В.П. Костычева.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, предложенных в диссертации, подтверждается результатами лабораторных исследований, полученных с использованием современных измерительных устройств, при достаточном количестве повторяемости опытов, обработкой полученных данных с

5

использованием методов математической статистики. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Соответствие темы диссертации требованиям Паспорта специальностей ВАК (технические науки). Предметная область диссертационного исследования находится в рамках Паспорта специальности ВАК 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства, в пределах раздела 2. Разработка теории и методов технологического воздействия на среду и объекты (почва, растение, животное, зерно, молоко и др.) сельскохозяйственного производства и раздела 7. Разработка методов оптимизации конструкционных параметров и режимов работы технических систем и средств в растениеводстве, и животноводстве по критериям эффективности и ресурсосбережения технологических процессов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

1. на X межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые технологии в учебном процессе и производстве», -Рязань: РИ (ф) МГОУ имени B.C. Черномырдина 25 апреля 2012г;

2. the «14-th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering» Moscow, 27 - 29 june 2012;

3. на XI - ой межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые технологии в учебном процессе и производстве», - Рязань: РИ (ф) МГОУ имени B.C. Черномырдина, 22 апреля 2013г;

4. на 64 Международной научно - практической конференции «Научные приоритеты АПК: инновационные достижения, проблемы, перспективы развития», -Рязань, 13 мая 2013г;

5. на XI Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук», - Москва: 27 июня 2013г;

6. на II Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические проблемы развития современной науки», - Москва: 30 июня 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ объемом 2.33 п.л., в том числе авторских - 1.52 п.л., из которых 4 - в изданиях, определенных ВАК, получено два патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 116 наименований и приложений. Работа изложена на 171 страницах, содержит 56 рисунков, 6 таблиц, 21 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Анализ способов и средств заготовки силоса» рассмотрена эффективность скармливания силоса сельскохозяйственным животным, проанализированы способы заготовки силоса, средства механизации, используемые для приготовления и уплотнения силосной массы в хранилищах различного типа, а также выполнен анализ средств удаления сока из уплотненной силосной массы, произведен анализ выполненных исследований по заготовке силоса.

Во второй главе - «Обоснование технологии приготовления и храпения силоса. Теория расчета параметров вакуумированного контейнера»- на основании изучения и анализа существующих технологий и средств механизации процесса силосования зеленых кормов, а также физико-механических свойств кукурузы предлагается схема технологического процесса приготовления и хранения силосованного корма (рис. 1). Схема включает следующие операции: скашивание

зеленой массы комбайном I с измельчением и пофузкой в транспортные средства 2, транспортировку, разгрузку измельченной зеленой массы в бункер - накопитель 3, откуда ее транспортером 4 подают в специализированный контейнер 5 и уплотняют пластиной 6, имеющей возможность перемещения в вертикальном направлении с помощью нагрузочных винтов 7. Пластина удерживает массу в сжатом состоянии внутри ко1ггейнера до достижения нужной плотности, отводя выделявшийся при этом сок в емкость для его сбора 8. После укладки и уплотнения зеленой массы осуществляют герметизацию контейнера съемной крышкой 9; выдержку силосуемой массы для прохождения процесса молочнокислого брожения, по окончании которого полученный силос вакуумнруют с использованием вакуумнэго насоса 10, транспортируют в контейнерах транспортным средством 11 для дальнейшего хранения в специализированные хранилища 12, в которые разгружают и складируют погрузчиком 13. По мере необходимости и в нужных количествах, контейнеры с помощью погрузчиков 13 доставляют к месту использования и выгружают с помощью

опрокидывателя контейнеров 14.

л _ Д СУ* и5

• 7 »

12 » 5

1 -силосоуборочный комбайн,

2 - транспортное средство;

3 - бункер-накэнитель; 4 -транспортер; 5 - контейнер; 6 -уплотняющая пластина; 7 -нагрузочные винты; 8 - емкость для сбора сока; 9 - крышка контейнера; 10 - вакуумный насос; 11 - транспортное средство; 12 - хранилище; 13 -погрузчик, 14 опрокидыватель контейнеров.

Рисунок 1 • Схема

технологического процесса приготовления и хранения силосованного корма

В данной технологии, в целях минимизации расходов на материалы, предлагается использовать металлический контейнер многоразового исиользоЕання, а съемное вакуумное оборудование выполнить переносным или стационарным с разветвленной вакуумной сстыо. Контейнер для заготовки и хранения силоса (рис. 2) должен быть выполнен в виде емкости 1, снабженной герметично закрываемой крышкой 2, вакуумной системой, содержащей врезанный в верхней части патрубок 3 с вентилем 4, вакуумстр 5, вакуумный насос 6, глушитель 10. вакуум-баллон 11. Снизу в емкость врезан патрубок с краном 7 для слива излишков сока. Под крышкой котейнера

имеется уплотняющая пластина 9, удерживающая массу в сжатом состоянии с иомошью нагрузочных вшгтов. Днище емкости имеет в поперечном сечении У-образную форму, а в продольном направлении -уклон в сторону кргна для удаления излишков «легочного :ока в емкость 8.

Рисунок 2 - С хема технологического процесса для приготовления и хранения силоса в контейнере

Новизна предложенной конструкции контейнера для приготовления и хранения силоса подтверждена патентом на полезную модель РФ №130783.

Емкость, заполненная силосным материалом, подвержена воздействию вакуума при хранении, следовательно, она может деформироваться под воздействием внешних и внутренних нагрузок. Данные деформации являются показателем технологического процесса, протекающего внутри контейнера. Также емкость подвержена воздействию на нее изменений температурного режима, происходящего внутри контейнера.

На рисунке 3 на схеме а) показан начальный момент сжатия силосной массы под уплотняющей пластиной 4 с помощью нагрузочных винтов; на схеме б) показана деформация элементов контейнера после отвода сок» из силосной массы и вакуумирования для дальнейшего хранения. Рассчитаем основные элементы емкости, используя теорию изгиба с прямоугольным очертанием но контуру тонкостенных пластин.

а) без вакуумирования; 5

б) с вакуумированием

Р' /

1 •

Т1Т1ТТГК

Я1- боковая распределенная реакция сжатия силосной массь:; ч,- распределенное усилие вакуумирования; й - вес силосной массы; 1 - днище контейнера; 2 -деформируемые стенки; 3 - крышка контейнера; 4 - уплотняющая пластина; 5 - нагрузочные винты.

Рисунок 3 - Расчетные схемы емкости для приготовления и хранения силоса

Теория расчета основания - днища контейнера Представим основание контейнера в виде прямоугольной тонкостенной пластины, защемленной по контуру (рис. 4), при этом должно выполняться условие

дХ ду

где W - прогиб пластины. Пусть основание контейнера загружено равномерно-распределенной нагрузкой ч. действующей от реакции ежлтия и веса силосной массы. Днище выполнено с небольшим уклоном, составившем 5" к це1пру. необходимым для удобства слива клеточного сока. Ввиду малости уклона при теоретическом расчете им пренебрегаем, ц • равномерно-распределенная нагрузка от воздействия силосной массы; ц,- распределенное Рисунок 4 - Расчетная схема днища усилие от воздействия вакуумирования.

Так как в краевые условия входит отсутствие прогибов и изгибающих моментов по краям пластины, тогда этим условиям удовлетворяет функция

1Г = с{х2-а2У(}>2-в2У, (2)

где С - произвольная постоянная.

Для определения внутренних силовых факторов необходимо совместно решить уравнения изгибающих моментов

«¡г (дгш 8V

" -кп> ** дхду

л/2 , (дг№ д2}¥

* -«г л * ^ &2 аИ

где ах, <зу - нормальные напряжения; тху- касательные напряжения; W - прогиб пластины, который определяется по дифференциальному уравнению изогнутой средней поверхности пластины (Софи Жермен); ц - коэффициент Пуассона материала основания; Б - цилиндрическая жесткость пластины, определяемая по формуле 4:

12(1-V), (4)

где Е - модуль общей упругости стали; Ь - толщина пластины, мм.

Так как в формулы (3) входят частные производные прогиба пластины по координатным осям, то для решения системы уравнений необходимо решить бигармонические уравнения изогнутой средней поверхности пластины (Софи

Жермен).

(5)

дХ4 дХ2дУ2 ЗУ4 О

Подставив уравнение (1) в уравнение (5) и принимая Х=У=0, определим выражение произвольной постоянной С

(6) (7)

24(в4+а4)£>

Получим выражение для прогиба основания контейнера

IV =-4? . {X2 - а2)(У2 - в2)2

24(в +а

Получив уравнение для определения '\У, приступим к определению всех внутренних усилий и напряжений, действующих в основании контейнера, используя закон Гука для плоской задачи и граничные условия закрепления Мху=0 и сЧ\'/оу=(Л\7ох=0. В результате получим уравнения напряжений, действующие в основании емкости и вторые производные функции прогиба

^ =-%-Г(12х2-4а2Ху2-в2)2 (8)

дх 24Д(в +а)

д V/ _ q

~8/~ 24£(е4+а4)

(12.У -4в )(х -а ) (9)

Определим максимальное значение напряжений, действующих в основании контейнера при г=Ш, (^/5у2)тах> (^/5хг)гаах и максимальные значения вторых

9

производных прогиба при х=а/2 и у=в/2.После определенных преобразований с учетом цилиндрической жесткости пластины, определяемой из выражения (4), получим значения максимальных напряжений

_ 9?(дУ+яаУ) П01

О^гт« ___ 1 , Л Л . У V/

х шах

32к\а4+в4) '

9д(аУ + уаУ) (11)

°>т1Х 32Л3(а4 + в4) '

Так как в днище емкости действует плоское напряженное состояние, то на основании моментной теории упругих оболочек (пластин) определим эквивалентное расчетное напряжение

/-2-2-,-- (12)

= л/^шах) "Кнутах) ~ °"*тах - °">.тах + Зг"*утах !

Так как тх,у=0, Мху=0 имеем

(О",шах) +(0\тах) " х "

(13)

Подставим в выражение (13) уравнение (10) и (11) и произведя необходимые преобразования получим уравнение эквивалентного напряжения, действующего в днище контейнера

= 329^2 +?б4 )2 (4^ - //2 -1) + (а4 + «4 )(1 + У - А);

(14)

а также уравнение эквивалентного напряжения, действующего в днище контейнера с учетов вакуумирования

Используя условие прочности пластины (16) и, выполнив необходимые преобразования, получим толщину основания емкости (днища)

г- , (16) где Я ~ расчетное сопротивление материала пластины, МПа; Яв. предел прочности материала пластины, МПа; ус. коэффициент условий работы конструкции; ут - коэффициент надежности работы по материалу

-32 07)

В случае действия вакуума на днище контейнера изменяется действие распределенной нагрузки, которая будет определяться из формулы

ЧобЩ=Я-Я., 0 Ю

где qв_распределенная нагрузка от действия вакуума.

Тогда получим уравнение для определения толщины пластины днища с учетом воздействия вакуума

, > з 9(д - д.)■ ут(ав)2^(авУ(4М-М>- 1) + (я4 + в4|Г- цг-ц) (19)

32

Процесс силосования протекает с изменением температуры, что влияет на параметры контейнера. Рассчитаем толщину днища с учетом изменений температуры в контейнере. Если изменение температуры неравномерно по объему или элемент имеет соответствующее закрепление, то свободное температурное его расширение будет стеснено взаимодействием с другими элементами контейнера. В результате появятся дополнительные температурные напряжения:

(20)

<7 = О — <7

же же же'

где свэи) - эквивалентное напряжение возникающее в днище контейнера при воздействии вакуума; а'экв - эквивалентное напряжение возникающее в днище контейнера.

Согласно уравнениям теории упругости [Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: М.: Высшая школа: 1995, 560с] эта задача решается с измененной записью закона Гука:

' Б-а-6Т (21)

* л

\-ц

Е -а-AT (22)

1- .

где а — коэффициент температурного расширения, ДТ - изменение температуры внутри и снаружи контейнера; ах', ау' -температурные напряжения.

Подсчитаем общие напряжения, действующие в днище контейнера, принимая, что тху=0

(23)

СЕаГ) ' ( ЕаТЛ ЕаТ ЕаТ ЕаТ г-j

Подставим формулы (24) и (17) в выражение (20), получим условие прочности с учетом температурных напряжений:

У^2I1 --1)++- -^ /Т^^; < ^;

32п \а +в ) 1-/х (¿3.)

И, выполнив определенные преобразования, получим требуемую толщину днища с учетом температурного расширения

/д ^¡9(ав)2Гт(1 - мПд - д)-(ав)2Лав)\4М - /г2 -1) + (а4 + в4\1 + М2 ~ м) V 32(а4 + в4) (Лв -уЛ1 -(л) + ЕаТ41 +

Теория расчета стенки емкости для приготовления и хранения силоса

(26)

/

Стенку представим в виде тонкостенной пластины, защемленной по осям Ъ с обеих сторон и по оси У с одной стороны (снизу) (рисунок 5). Тогда срединная плоскость будет искривляться по цилиндрической поверхности и для определения внутренних силовых факторов необходимо решить систему уравнений изгибающих моментов: Рисунок 5 - Расчетная схема стенки емкости

г , дг1Г

1,12 С , „ и " О уг |

м7,

Л/2 -Л/2

Зг: 32Г

а) =

.4" ■

I

Используя методику расчета пластины для днища емкости и аналогично условию закрепления определим прогиб стенки, которая будет являться лишь функцией ординаты Ъ

д'Ж _ Чх _ 12(1-У)

Д £й3 (28)

Для данной расчетной схемы пластины (рисунок

5) дифференциальное уравнение можно решить как дифференциальное уравнение изогнутой простой консольной балки (рисунок 6) а) - без использования вакуумирования;

6) - с использованием вакумирования.

Я=Ча/2

б) мс

-#<1

6/

0о=

1/3 Н £

£

И=Ча/2 Рв

Рисунок 6 - Расчетная схема к решению дифференциального уравнения

Решаем дифференциальное уравнение (28) с учетом метода начальных параметров получим уравнение прогиба для схемы а) (рисунок 6)

"«-^■т-т-т-^

Преобразуем уравнение (29), считая, что X /8!=0

= -г')

к ' 12Я у у

(30)

Определяем вторые производные функции и используя граничные условия и закон Гука для плоской задачи дчг/ду=0 и Мгу=0 определяем напряжения в стенке

__Е-Х д2ГГ

1 -цг'д!1' Е-Х дг\¥

Так как максимальный прогиб будет при г=1/2Н, то из уравнения (30) получим

(31)

(32)

96 О

(33)

Определим максимальное значение второй производной прогиба, подставим полученные значения и в уравнения (31) и (32) и получим значения

максимальных напряжений, возникающих в стенках емкости

2 гг8„2

О -м2У,

„ ..2

8 кьЕ (34)

8А Е (35) Тогда, с учетом уравнения (13) получим напряжения Мизеса:

ШЕ (36)

С учетом условия прочности уравнение (2.23) получим требуемую толщину стенки емкости

1 ЪЕ-ЯвГс , (37)

Решаем дифференциальное уравнение (28) с учетом метода начальных параметров и принципа независимости действия сил для с хемы б) (рисунок 6) и получим уравнение прогиба

(38)

где Wl (г) - уравнение прогиба (30) без учета вакуума; (2) - уравнение прогиба (30) с учетом вакуума.

(39)

О ^ 4 6 24 /

№-^-Ц^-Ч-Г + ^-А (40)

ПО К ' £> ^ 4 6 24 )

Определяем вторые производные функции, максимальный прогиб при 2=1/211, максимальное значение второй производной при 2=1/2Н. Подставим полученные значения \у(2)тах и (б2\\'/&2)тах в уравнения (31) и (32) и получим значения максимальных напряжений, возникающих в стенках

64£Уг6 и М)' (41)

„ -22Рв-г-Н-8-5Рв2]Н6 п_ 2У

64ЕИ'' (42)

Тогда, с учетом уравнения (13) получим напряжения Мизеса: = [«ран» -22 Рв-уН.,- 5 Р/ ]Я*

64 ЕНЬ 4 (43)

С учетом условия прочности (16) получим требуемую толщину стенки емкости

Рассчитаем толщину стенок с учетом изменений температуры в контейнере.

Дополнительные температурные напряжения определим из выражения:

(45)

где о"экв - эквивалентное напряжение возникающее в стенках контейнера при воздействии вакуума; а'экв - эквивалентное напряжение возникающее в стенках контейнера.

Подставим формулу (24) в выражение (43) и получим эквивалентные напряжения в стенках контейнера

«г, = ~22Р'6{Е* д~5Р'^Нб(46)

Используя условие прочности, определим толщину стенки контейнера с учетом воздействия на нее температуры (47)

А >

'(8 уНд - 22 Р.уНд - 5Р,)Н6 • (1 - у2) _ 1(8 ■• у ■Н■ д-22Р. - у■ Н ■ д - 5 Р.) ■ Н6 ■ (1 + •

' 64£ ■ (Д. ~М) + ЕаТ-Л + м

б4£1

В результате расчета определим необходимую толщину крышки с учетом воздействия температуры

к>

Л. "Ус | ^

(48)

Теоретические расчеты в полном объеме представлены в диссертации. Таким образом, теоретически установлено, что толщину днища, стенок и крышки контейнера следует выбирать в зависимости от прочностных характеристик материала, из которого они изготовлены и действующих на них нагрузок: на днище -массы силоса и давления уплотнения; на боковые стенки - бокового распора уплотненной силосной массы; на крышку - ее собственной массы с учетом переменного температурного режима, происходящего в контейнере. При вакуумировании контейнера на днище, боковые стенки нагрузка снижается, а на крышку - увеличивается.

Вакуумная система предложенного нами контейнера для силосования и хранения зеленой массы состоит из вакуумного ротационного насоса с приводом, вакуум - баллона (ресивера), вакуумметра. Суммарный объем воздушной среды контейнера, учитывая его конструктивные параметры, состоит из:

К = К, + К2. (49)

где уа1 - объем воздуха, расположенный выше уплотняющей пластины,

У л = (<*,-Vй.). (50)

где а, - ширина контейнера, м; 1>1 - длина контейнера, м; Ь1 - высота контейнера, находящаяся выше уплотняющей пластины, м.

уа2 - объем воздуха, находящийся ниже уплотняющей пластины, состоящий из воздушно - газовой среды в объеме пор уплотненной зеленой массы

Уа г={а1-Ъ2-Ъг)-к, (51)

где а2 - ширина днища контейнера, м; Ь2 - длина днища контейнера, м; Ь2 - высота контейнера, находящаяся ниже уплотняющей пластины, м; к - коэффициент пористости.

Тогда производительность вакуумного насоса можно определить по формуле

6 = 7*-. (52)

где V,- объем воздуха в контейнере, м3; I - время откачки воздуха из контейнера. По производительности подбираем подходящий по параметрам вакуумный насос.

В третьей главе - «Программа и методика экспериментальных исследований» в соответствии с поставленной задачей предусматривает:

1 - определение размерных характеристик кукурузы, принятой к исследованию;

2 - определение влажности кукурузы и ее влияние на качество силосной массы;

3 - определение влияния степени уплотнения на качество силосной массы;

4 - определение влияния размеров частиц кукурузы на уплотнение силосной массы;

5 - определение влияния степени измельчения листвы, стеблей, початков на уплотнение силосной массы;

6 - определение методами поискового и трехфакторного эксперимента зависимости величины деформации элементов контейнера от влияния давления уплотнения зеленой массы, величины вакуума, температуры наружного воздуха;

7 - характеристику опытно-производственного образца контейнера;

8 - последовательность выполнения технологических операций по приготовлению и хранению силоса в контейнерах многоразового использования;

9 - определение влияния температуры силосной массы и температуры наружного воздуха на процесс молочно - кислого брожения, происходящего в контейнере;

10 - определение величины деформации в элементах контейнера при вакуумировании и без его использования различными методами;

11 — влияние способа приготовления силоса на его качественные показатели.

Для экспериментальных исследований была использована кукуруза сорта «Катерина», выращиваемая в животноводческом хозяйстве ООО «Путь Ленина», расположенном на территории села Плахино Захаровского района Рязанской области и представляющая собой раннеспелый гибрид с периодом вегетации 95 ■*■ 100 дней, который обладает способностью переносить небольшие заморозки. При обработке результатов исследований были использованы методы математической статистики, а также выполнен анализ качества в соответствии с действующими методиками Федеральным государственным бюджетным учреждением «Станция агрохимической службы «Рязанская». Для реализации программы исследований, была разработана и изготовлена опытно - производственная установка контейнера. Так как одной корове в день необходимо минимум 25.0кг силоса, то с учетом сортамента на листовой металл и запросов фермерского хозяйства были назначены следующие размеры контейнера для проведения испытаний - 1.25x1.25x1.25м. Объем зеленой массы, закладываемой в контейнер, составит 1.95м 3. В контейнере можно приготовить 1017.5 кг силоса при плотности 600 кг/мЗ. Таким образом, используя находящийся в контейнере силос первого класса можно обеспечить потребность 20 животных, например, фермерского хозяйства в течение двух дней.

Общий вид опытно - производственного образца представлен на рисунке 7. Контейнер включает в себя металлическую емкость 1, герметично закрываемую крышкой 2, которая устанавливается на уплотнители. В верхней части в емкость врезан патрубок 3, подсоединяемый через запорный кран 4 к вакуумному насосу 5, а также к вакуумметру 6. В нижней части контейнера в конструкцию врезан кран 7 для удаления излишков клеточного сока, образующегося при приготовлении силоса. В контейнер на загруженную силосную массу устанавливается горизонтально пластина 8, перемещаемая вертикально с помощью нагрузочных винтов и выполняющая уплотняющие функции.

К контейнеру приварена металлическая рама 9, на которой установлена съемная площадка 10 с оборудованием для вакууммирования, обеспечивающим нормальное функционирование технологического процесса. В состав оборудования входят: асинхронный двигатель 11, работающий в паре с вакуумным насосом 5. К вакуумному насосу подсоединен глушитель 12 и отводы к емкости для масла 13, необходимого для

смазывания подшипников и лопастей крыльчатки, а также ресивер 14 для сбора конденсата. Для вакуумирования контейнера использовался вакуумный насос марки НВ-12. После изготовления контейнер окрашен специальной универсальной эмалыо «Металлик», создающей нержавеющую основу элсмс»гтам контейнера. Контейнер не требует фундамента и устанавливается на обычное твердое основание.

3 6" 2

IV

Рисунок 7 - Контейнер дл» приготовления и хранения силоса

Последовательность выполнения технологических операций по приготовлению и хранению силоса состоит в следующем. Измельченную зеленую массу укладывают в контейнер. После того, как зеленая масса заполнит весь объем емкости, в нее горизонтально устанавливают уплотняющую пластину и с помощью нагрузочных винтов, создающих давление на пластину, производят уплотнение сырья, с удалением, при необходимости, излишков клеточного сока. После уплотнения зеленой массы в ней с помощью бура выполняем отверстие глубиной 60 мм, в которое вводим температурный зонд зондового электротермометра, который предназначен для контроля и технологической оптимизации анаэробного процесса ферментации измельченной кукурузы. Выводим предварительно заизолированные провода электротермометра наружу, после чего контейнер герметично закрываем крышкой (9), устанавливая ее на уплотнители и оставляем контейнер для молочнокислого брожения, измеряя периодически температуру наружного воздуха

и температуру силосной массы. Во время процесса молочнокислого брожения температура в силосной массе поднялась с величины 20°С до величины 32°С и держалась на этом уровне несколько дней, потом начала медленно спадать, пока не опустилась до температуры наружного воздуха, что показало о завершении молочнокислого брожения. Так же о приближении процесса молочнокислого брожения к завершению напомнил сок, начавшийся выделяться с помощью врезанного в нижнюю часть контейнера крана в емкость, предназначенную для ею сбора и устанавливаемую рядом с контейнером со стороны крана. Выжидаем три дня, и, удостоверившись, что температура в силосной массе не поднимается, приступаем к вакуумированию с целью улучшения сохранности корма надлежащего качества, независимо от сроков хранения. Для этого подключаем вакуумную установку в сеть, создаем необходимый вакуум в контейнере, величину которого определяем с помощью вакуумметра и оставляем силос в контейнере на хранение, чтобы использовать по мере необходимости для скармливания животным.

В четвертой главе - «Результаты лабораторных и производственных испытаний приготовления и хранения силосной массы в контейнере и их анализ приведены следующие результаты исследований:

- в стадии молочмо-еосковой спелости зерна кукурузы средняя длина растения составила 185см; средняя масса растений - 391.09г, при этом средняя масса листьев -70.40г. (18%), средняя масса стеблей - 117.3г. (29%), средняя масса початков -203.39г. (52%). Влажность зеленой массы составила, примерно, 80%, при этом количество выделяемого сока - 195.0 литров с тонны массы. Рекомендуемый размер измельчения частиц в этот период при силосовании должен составить 25 + 30мм;

- в стадии восковой спелости зерна кукурузы средняя длина растеши составила 229.0см; средняя масса растений - 484.1 г, при этом средняя масса листьев - 96.8г. (20%), средняя масса стеблей - 145.2г. (30%), средняя масса початков - 242.0г. (50%). Влажность зеленой массы в этот период составила, примерно, 70%. при этом количество выделяемого сока - 35.5 литров с тонны массы. Рекомендуемый размер измельчения частиц в этот период вегетации при силосовании должен состав1ггь 10 + 15мм.

Влажность оказывает существенное влияние на физико - механические характеристики кукурузы. С уменьшением влажности увеличивается массовая доля

сухого вещества кормовой культуры, массовая доля сырого протеина, сырой клетчатки а также ее плотность, что сказывается на классе получаемой силосной массы (рис. 8). Наибольшая массовая доля сухого пгикчгтоя 31 наблюдается при влажности 68%.

Рисунок 8 - Графи ческая зависимость массовой доли СВ, а, и плотности у, от влажности X

При увеличении степени уплотнения силосной массы происходит избыточное выделение клеточного сока, который, после снятия нагрузки, находится в свободном состоянии. Из представленной на рисунке 9 графической зависимости, видно, что при наступлении релаксации, процессы, проходящие в силосной массе,

1ЬоМИ .«МО сумм« 1ФМПМ. л

1И7 SW мч

4(»4

•in im

»is 11»

1>U 1Ш

mi

1Ш

tin

-Н-

г —

v. V 1- »1

а /

— — — — —

--

приостанавливаются. Установлено, что наиболее быстро релаксация напряжений ».л наступает при давлении уплотнения

величиной в 2929.0 кПа через 375с с момента начала уплотнения при спаде давления до 976 + 1072кПа. При давлении на измельченную массу величиной в 5857.0 кПа релаксация наступила при спаде давления до величины в 1562,0 + 1953кГ1а через 375с с момента начала уплотнения. Установлено, что предельная величина давления уплотнения не должна превышать 3085 кПа. Эта величина может быть рекомендована для прессования силосных культур данного сорта в определенный период вегетации.

Рисунок 9 • Графическая зависимость релаксации напряжений силосной массы в зависимости от давления уплотнения и выделения клеточного сока

Графические зависимости изменения давления прессования силосной массы Р (кПа), от времени I (с) и измельчения зеленой массы на фракции представлены на рисунке 10. Степень измельчения зеленой массы значительно зависит от влажности сырья. Исследованиями установлено, что для кукурузы в стадии молочно-восковой спелости размер частиц должен составлять от 25 - до 30 мм, для кукурузы в стадии восковой спелости - от 10 до 15 мм.

I» и* ш> »• ме m m к

О <0 1» 1М МО »00 МО 4« МО МО «ю — - пра pawepta часта 30мм,

Рисунок 10 - Графическая зависимость изменения давления прессования силосной массы Р (кПа) от времени t (с) и размера частиц.

Было выполнено всестороннее экспериментальное исследование зависимости деформации элементов контейнера от величины давления уплотнения зеленой массы, величины вакуума, температу ры наружного воздуха в процессе силосования На рисунке 11 представлена графическая зависимость деформации стенок контейнера, мм, о величины вакуума, кПа. выполненная в программе Excel 2003.

Следует отметить, что максимальная деформация в

стенках контейнера, составляющая 45.8 мм, проявляется при

величине вакуума в контейнере в ЗОкПа, а минимальная величиной в 1S.11 мм - при величине Величин« вмуума, «п» вакуума в Ю.ОкПа.

. - экспериментальная кривая; — - апроксимнрованная кривая.

Рисунок 1 I вакуума.

■ Графическая зависимость деформации стенок контейнера от величины

Таким образом, с увеличением уровня вакуума деформации стенок ко!гтсйнсра уменьшаются. На рисунке 12 показана графическая зависимость деформации стенок контейнера, мм, от температуры наружного воздуха, °С. Анализируя зависимости деформации стенок контейнера от температуры наружного воздуха можно сделать

вывод о том, что влияние температуры наружною воздуха действует на деформации контейнера максимально. При

температуре наружного воздуха в 25°С деформация стенок

составляет 59.18мм.

I»

го

»1 ¿».««•¿1 V » Ю.1Э

».11 ______

— ---- ЙЛ2 ! — —

---- г- • -------

1

15

20

» » Т«ып«(ытура. 'С

■ экспериментальная кривая; - апроксимированная кривая.

Рисунок 12 - Графическая зависимость деформации стенок контейнера, мм, от температуры наружного воздуха, "С.

На рисунке 13 представлена графическая зависимость деформации стенок контейнера, мм, от давления уплотнения зеленой массы, кПа.

Из графика видно, что максимальная деформация стенок при давлении уплотнения в

32 кПа составила 5 мм, при 28 кПа - 4.5 мм. Графики зависимости деформации днища контейнера от уровня вакуума, от температуры наружного воздуха и от давления на зеленую массу приведены в диссертации.

— экспериментальная кривая;

— апроксимированная кривая.

,.(1 в.. 1.1 о.яма

1

Давление уплотнения, кПа

Графическая зависимость деформации стенок контейнера от давления

Рисунок 13 • уплотнения

Для определения совместного влияния всех трех выше указанных факторов на коэффициент вариации была проведена серия трехфакторных экспериментов. Исследования проводились с использованием методов планирования эксперимента таким образом, чтобы исключить или довести до минимума систематическую ошибку. Диапазоны варьирования факторов были выявлены из априорной информации и в ходе поисковых однофакторных экспериментов. Величина уровня вакуума изменялась от 10.0 до ЗО.ОкПа с интервалом варьирования Ю.ОкПа. температура наружного воздуха от 10 до 30°С с интервалом варьирования 10°С, величина давления уплотнения от 8.0 до 32.0кПа с интервалом варьирования 8.0 кПа. За параметр оптимизации, .у, принята деформация стенок контейнера. Модель объекта имеет вид

у - ¿о + + Ь&г + 6»хз + 6цХ| *2+ Ьгрг *3 (53)

Уравнение регрессии имеет вид

1,346+5,549*,+12,649*2+4,251*3+2,161*|*г2,366х,*3+1,509*гх3 (54)

После проведения многофакторных экспериментов и статистической обработки опытных данных были получены математические модели, описывающие совместное влияние выше указанных факторов на коэффициент вариации.

19

Р, кПа, (х,)

После подстановки в уравнение регрессии значений факторов х, ■ Р, х} в г, х, = У в пределах исследуемого факторного пространства при любом сочетании их значений получим формулу для расчета величину деформации стенок контейнера

у "-14,343 + 0,74/" + 0,317/ + 0,835 И+ 0.027Р / - 0,03РУ+ 0,015/ V. (55) Графическое изображение полученных моделей показано на рисунках 14 - 16 на примере стенок контейнера.

у. (мм)

I, °с (х2)

Р. кПа (х,)

Х:= 16-33 у:-Ю..ЗО т(х, у):=-14.343+0.74х+0.317у+0.027х.у Рисунок 14 - Зависимость деформации стенок когтейнера, у, мм, от давления уплотнения, Х|. кПа, и температуры наружного воздуха, х2 , "С

х:=10...30 у:=10..30 г(х, у):=-14.343+0.317х+0.835у+0.015х.у Рисунок 15 - Зависимость деформации стенок контейнера, у, мм, от величины давления уплотнения, хь кПа, и величины вакуума, х}, кПа

х:-16...32 у:-Ю..ЗО г(х, у):--14.343+0.317х+0.835у-0.03х.у

Анализ установленных

зависимостей показывает, что эффекг взаимодействия факторов ярко выражен, т.е. степень влияния каждого фактора зависит от того, на каком уровне находится другие факторы.

Для того чтобы деформация стенок контейнера была минимальной, необходимо, чтобы давление уплотнения зеленой массы не превышало 20 кПа. температура окружающей среды не превышало 10 °С, уровень вакуума не превышал 16 кПа.

Рисунок 16 - Зависимость деформации стенок контейнера, у, мм, от величины температуры наружного воздуха, х2, кПа, и величины вакуума, х3, кПа

Исследования по определению деформаций днища проводились аналогично В результате получена формула для расчета величины деформации днища контейнера у « -7,752 + 0,71ЪР + 0,4654/ + 0,339 V- 0,0194/»/. (56)

Для того, чтобы деформация днища контейнера была минимальной, необходимо, чтобы величина давления уплотнения зеленой массы не превышала 16 кПа, температура окружающей среды не превышало 12 °С, уровень вакуума не превышал 8 кПа.

Технология силосования неразрывно связана с непрерывным контролем температуры заложенной на хранение силосной массы. Наблюдения показали, что температура зеленой массы достигает в процессе силосования максимальной величины в 32°С. Уменьшение температуры происходит постепенно до окончания периода молочио - кислого брожения и, когда становится равной температуре наружного воздуха, необходимо производить слив сока и вакуумированис контейнера.

Исследования проводились с использованием кукурузы сорта «Катерина». Зеленая масса собрана в стадии восковой спелости зерна в период с 20 по 24 сентября 2012г. Из сравнительного анализа растений определено следующее: влажность зеленой массы составила 70%, средняя высота растений - 235см, средняя масса растений - 503г. средняя длина початков - 22см при диаметре початка 6.35см, средняя масса листовой массы - 100.8г, средняя масса стебельчатой массы - 151.2г, средний размер частиц при уборке составил 15мм.

По результатам исследований, проведенных в лаборатории Федерального государственного бюджетного учреждения «Станция агрохимической службы «Рязанская» было выполнено сравнение показателей качества силоса, произведенному в траншеях хозяйства и в вакуум ированном контейнере многоразового использования.

Таким, образом, силос, полученный после длительного хранения в вакууммированном контейнере, получен I класса по качеству, при этом:

- массовая доля сухого вещества составила согласно ГОСТ 27548-97 - 26.7% (для I класса требуется не менее 25%);

• массовая доля в перерасчете на абсолютно-сухое вещество составила согласно ГОСТ 13496.4-93: для сырого протеина - 9.2% (для 1 класса требуется не менее 9%);

У. мм

М

1

I, °С (х2) V. кПа.(хз)

для сырой клетчатки - 30.5% (для 1 класса требуется 27%); рН - 4.0ед. (для 1 класса требуется 3.9 - 4.3ед.).

- питательность 1 кг корма естественной влажности по количеству кормовых единиц согласно МУ по оценке качества и питательности кормовых единиц составила 0.24 к.е.

Силос, полученный после длительного хранения в траншеях хозяйства, на период сравнительного анализа, получен 3 класса по качеству, при этом:

- массовая доля сухого вещества составила согласно ГОСТ 27548-97 - 23.2% (для 3 класса требуется не менее 16%);

- массовая доля в перерасчете на абсолютно-сухое вещество составила согласно ГОСТ 13496.4-93: для сырого протеина - 7.6% (для 3 класса требуется не менее 7%); для сырой клетчатки - 31.4% (для 3 класса требуется не менее 33%); рН-3.9ед. (для 3 класса требуется 3.6 - 4.4ед.).

- питательность 1 кг корма естественной влажности по количеству кормовых единиц согласно МУ по оценке качества и питательности кормовых единиц составила 0.20 к.е.

В результате исследований было установлено, что - при хранения в вакууммированном контейнере исследуемый силос превосходит по своим качественным показателям и по питательности силос, хранящийся в хозяйстве. Корм, хранящийся в контейнере и предлагаемый коровам, был съеден полностью без отходов. В то же время силос, хранящийся в хозяйстве, был съеден животными с отходом в кормушках в количестве до 12% от общей дневной нормы.

В пятой главе - «Экономическая эффективность применения вакуумированного контейнера для приготовления и хранения силоса многоразового использования» приводятся экономические расчеты, которые показали, что на производство 1 тонны силоса, приготовленного в вакуумированных контейнерах, затрачено на 2249руб меньше (при годовом объеме производства 121023т), чем в наземных бетонных траншеях (при годовом объеме производства 120750т); и на 2801руб меньше стоимости силоса, приготовленного в полиэтиленовом рукаве (при годовом объеме производства 143220т) с учетом себестоимости производства.

Согласно расчетам рассматриваемый проект окупается через 2,72 года.

При выполнении расчетов не учитывался дополнительный эффект от повышения продуктивности животных в результате увеличения жирности молока за счет использования силоса первого класса, приготовленного в контейнере многоразового использования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенного анализа по силосованию зеленых кормов было сделано заключение о том, что существующие технологии и средства механизации не в полной мере обеспечивают производство качественного силоса без значительных потерь зеленой массы, а тем более его длительное хранение с сохранением высокого качества, что приводит к повышению затрат на его производство и недобору живодноводческой продукции.

1. На основании анализа свойств различных периодов вегетации для силосования следует рекомендовать кукурузу, находящуюся в стадии восковой спелости зерна примерно с следующими физико - механическими характеристиками: средняя длина растений 229.0см, масса - 484.1 г, с содержанием листьев 20%, стеблей -30%, початков - 50%. Влажность зеленой массы в этот период составляет 70%, а количество выделяемого сока - 35.5 литров с тонны массы. Рекомендуемый размер измельченных частиц для силосования должен составить 10 -5- 15мм.

2. Предлагаемая модель функционирования линии по приготовлению силосованных кормов должна включать: скашивание зеленой массы комбайном с измельчением и погрузкой в транспортные средства; транспортировку к месту закладки; укладку и уплотнение измельченной зеленой массы в специализированных контейнерах; отвод выделяющихся при этом излишков сока, герметизацию контейнеров; выдержку в них до окончания процесса молочно - кислого брожения; вакуумирование и хранение до момента скармливания.

3. Контейнер для заготовки и хранения силоса должен быть выполнен в виде емкости, снабженной герметично закрываемой крышкой, вакуумной системой, содержащей врезанный в верхней части патрубок с запорным вентилем, вакууметр, вакуумный насос и врезанный в нижней части кран для слива излишков сока; под крышкой контейнера должна быть расположена уплотняющая пластина, удерживающая массу в сжатом состоянии с помощью нагрузочных винтов.

4. Теоретически установлено, что толщину днища, стенок и крышки контейнера следует выбирать в зависимости от прочностных характеристик материала, из которого он изготовлен, и действующих на него нагрузок: на днище - массы силоса и давления уплотнения; на боковые стенки - бокового распора уплотненной силосной массы; на крышку - ее собственной массы, а также изменяющегося внутри контейнера и воздействующего на его элементы температурного режима. При вакуумировании контейнера на днище, боковые стенки нагрузка снижается, а на крышку увеличивается.

5. Экспериментами установлено, что на величину деформации стенок контейнера оказывают влияние давление уплотнения силосной массы, величина вакуума, создаваемого в контейнере и температура наружного воздуха. Причем, повышение давления уплотнения и температуры увеличивают деформации стенок контейнера, а повышение величины вакуума - снижав т. При сочетании давления уплотнения зеленой массы равного 20 кПа, температуры наружного воздуха в ЮС, вакуума величиной в 16 кПа, деформации стенок контейнера, выполненного из стали марки СтЗсп5 размерами 1.25x1.25x1.25м с толщиной стенки 4.0мм минимальные и составляют в центре пластины 10.05 мм. При сочетании давления уплотнения зеленой массы равного 16 кПа, температуры наружного воздуха в 120С, вакуума величиной в 8 кПа, деформации днища контейнера с толщиной стенки 5.0мм, минимальные и составляют в центре пластины 8.53 мм.

6. Производственные исследования работы вакуумированного контейнера показали, что при размерах 1.25x1.25x1.25м в нем можно заготовить силос из кукурузы восковой спелости первого класса массой 1017.5 кг с учетом отвода 35.5 литров сока при плотности 600 кг/м3с содержанием массовой доли сухого вещества 26.7%, протеина 9.2%, рН - 4.0ед. и питательностью 0.24 к.е. в одном килограмме силоса.

7. Экономические расчеты показали, что при внедрении предлагаемой технологии заготовки силоса в вакуумированных контейнерах по сравнению с заготовкой в железобетонных наземных траншеях емкостью 750м3 (ТП № 811-37) экономический эффект составляет 2249 руб. в год с тонны силоса. При сравнении затрат на производство силоса в вакуумированных контейнерах и в полиэтиленовых рукавах стоимость одной тонны силоса, приготовленного в контейнере на 2801руб. меньше 1 тонны силоса, приготовленного в рукаве без учета повышения продуктивности коров и повышения жирности молока. Согласно расчетам рассматриваемый проект окупается через 2,72 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в ведущих изданиях, рекомендуемых ВАК России

1. Некрашевич, В.Ф Обоснование параметров вакуумированных контейнеров для хранения силоса / В.Ф. Некрашевич, Н. А. Антоненко, А..С. Попов // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. - 2013. - № 3. - С. 76-82. (0,56 п.л., в т.ч. автора 0,2).

2. Некрашевич, В. Ф. Теоретическое исследование деформации элементов вакуумированного контейнера для приготовления и хранения силоса / В. Ф. Некрашевич, Н. А. Антоненко / Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 3. - С. 122-127. (0,37 п.л., в т.ч. автора 0,19)

3. Некрашевич, В. Ф / В. Ф. Некрашевич, Н. А. Антоненко А. С // Вакуумированная траншея для силосования кормов // Сельский механизатор. - 2013. -№ 10,- С. 21 - 22. (0,28 п.л., в т.ч. автора 0,14).

4. Антоненко, Н. А К вопросу использования технологии заготовки силоса в вакуумированных контейнерах // Теоретические и практические проблемы развития современной науки: сб. мат. 2-й международной науч.-практич. конф., 30 июня 2013г / НИЦ "АПРОБАЦИЯ". М.: Перо, 2013. — С. 11 - 15. (0,30 п.л., в т.ч. автора 0,30).

В описаниях патентов РФ

5. Пат. 129768 Российская Федерация, МПК А23К 3/02. Устройство для силосования кормов / Некрашевич В. Ф., Антоненко Н. А., Ревич Я. JI. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО РИ(ф)МГОУ. - № 2013101376 ; заявл. 14.01.2013 ; опубл. 10.07.13, Бюл. № 19. -2с.: ил.

6. Пат. 130783 Российская Федерация, МПК A01F 25/16. Установка для приготовления и хранения силоса / Некрашевич В. Ф., Антоненко Н. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО РИ(ф)МГОУ. - № 2013101378 ; заявл. 14.01.2013 ; опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22. - 2 с. : ил.

Публикации в сборниках и других научных изданиях

7. Некрашевич, В. Ф. Технология заготовки силоса в вакуумированных контейнерах / В. Ф. Некрашевич, Н. А. Антоненко // Сб. науч. тр. преподавателей и аспирантов РГАТУ имени П.А. Костычева : мат. науч.-практич. конф. 2013г - Рязань : РГАТУ. - 2013. - С. 309-314. (0,27 п.л., в т.ч. автора 0,14).

8. Антоненко, Н. А Методика расчета конструктивных параметров контейнера с учетом их вакуумирования // Новые технологии в учебном процессе и производстве : мат. одиннадцатой межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. - Рязань : Узорочье, 2013. - С. 136-140. (0,25 п.л., в т.ч. автора 0,25).

9. Антоненко, Н. А. Методика расчета вакуумированных металлических контейнеров // Научная дискуссия: вопросы технических наук : мат. XI заочной межрегиональной науч.-практич. конф. — М. : Международный центр науки и образования, 2013. - С. 57-70. (0,88 пл., в т.ч. автора 0,88).

Антоненко Надежда Александровна

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПАРАМЕТРОВ

ВАКУУМИРОВАННОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ СИЛОСА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.10.2013.Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 119

Отпечатано в Рязанский институт (филиал) МГОУ 390000, г.Рязань, ул.Право-Лыбедская, 26/53

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени профессора П.А. Костычева»

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМИРОВАННОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

И ХРАНЕНИЯ СИЛОСА

Специальность 05.20.01 -технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В.Ф. Пекрашевич

04201 450781-

На правах рукописи

Антоненко Надежда Александровна

Рязань - 2013

РЕФЕРАТ

Диссертация содержит 171 страницу машинописного текста, 56 рисунков, 6 таблиц, 21 приложение. Список используемых источников включает 116 наименований.

Ключевые слова: силос, вакуумирование, молочнокислое брожение, протеин, физико - механические свойства кукурузы, деформация, датчик технологического процесса, уплотняющая пластина, конструктивные параметры, режимы работы, сухое вещество, эффективность.

Цель работы - повышение эффективности процесса приготовления и качества силосованных кормов сельскохозяйственным животным за счет совершенствования технологии силосования и последующего хранения с использованием универсальных вакуумированных контейнеров многоразового использования.

Объект исследования - технологический процесс приготовления и хранения силосованного корма в вакуумированных контейнерах многоразового использования.

В результате теоретических и экспериментальных исследований процесса приготовления и хранения кукурузы в вакуумированном контейнере многоразового использования выбраны наиболее рациональные конструктивные параметры, разработана технология силосования, разработана и изготовлена опытная конструкция контейнера многоразового использования, позволяющая приготовить и сохранить силос первого класса независимо от длительности хранения, проведены ее производственные испытания.

В заключение дана оценка экономической эффективности приведенной технологии с использованием вакуумированного контейнера многоразового использования.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ЗАГОТОВКИ СИЛОСА 14

1.1 Эффективность скармливания силоса сельскохозяйственным животным 14

1.2 Анализ способов заготовки силоса 22

1.3 Анализ средств механизации, заготовки силосной массы в хранилищах различного типа 35

1.4 Анализ средств удаления сока растений из уплотненной силосной массы 43

1.5 Анализ выполненных исследований по заготовке силоса 45

1.6 Цель работы и задачи исследований 51

2 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ СИЛОСА. ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМИРОВАННОГО КОНТЕЙНЕРА 54

2.1 Обоснование технологии приготовления и хранения силоса в контейнерах. Материальный баланс силосной массы 54

2.2 Конструктивно - технологическая схема контейнера для приготовления и хранения силоса 57

2.3 Теория расчета конструктивных параметров контейнера при атмосферном давлении, при вакуумировании 59

2.3.1 Теория расчета основания - днища контейнера 60

2.3.2 Теория расчета стенки емкости для приготовления и хранения силоса 66

2.3.3 Теория расчета крышки емкости для приготовления и хранения силоса 71

2.4 Расчет объема воздушной среды в контейнере и выбор вакуумного насоса 76 Выводы 77 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 79

3.1 Программа и методика проведения лабораторных исследований и

производственных испытаний 79

3.1.1 Методика определения размерных характеристик элементов кукурузы, принятой к исследованию 81

3.1.2 Методика определения влажности кукурузы и ее влияние на качество силосной массы 82

3.1.3 Методика определения влияния степени уплотнения на качество силосной массы 83

3.1.4 Методика определения влияния размеров частиц кукурузы на уплотнение силосной массы 85

3.1.5 Методика определения влияния степени измельчения листвы, стеблей, початков, «микса» на уплотнение силосной массы 85

3.1.6 Определение методами поискового и трехфакторного эксперимента величины деформации элементов контейнера в зависимости от влияния давления уплотнения зеленой массы, величины вакуума, температуры наружного воздуха 86

3.1.7 Характеристика опытно-производственного образца контейнера многоразового использования для приготовления и хранения силоса 87

3.1.8 Последовательность выполнения технологических операций по приготовлению и хранению силоса в контейнерах многоразового использования 90

3.1.9 Методика замера температуры окружающего воздуха и

температуры силосной массы в процессе брожения 91

3.1.10 Методы определения деформаций в стенках контейнера с использованием вакуумирования и без него 93

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ СИЛОСНОЙ МАССЫ В ВАКУУМИРОВАННЫХ КОНТЕЙНЕРАХ И ИХ АНАЛИЗ 95

4.1 Результаты лабораторных исследований 95

4.1.1 Результаты определения размерных характеристик кукурузы 95

4.1.2 Результаты исследования влияния влажности кукурузы на качество силосной массы 96

4.1.3 Результаты исследования влияния уплотнения на качество силосной массы 98

4.1.4 Результаты влияния размеров частиц на плотность силосной массы 103

4.1.5 Результаты влияния степени измельчения листвы, стеблей, початков, «микса» на уплотнение силосной массы 105

4.2 Результаты производственных испытаний 107

4.2.1 Результаты определения методом поискового эксперимента деформации элементов контейнера в зависимости от величины вакуума в процессе силосования 107

4.2.2 Результаты определения методом поискового эксперимента деформации элементов контейнера в зависимости от температуры наружного воздуха 109

4.2.3 Результаты определения методом поискового эксперимента деформации элементов контейнера в зависимости от давления уплотнения зеленой массы 111

4.2.4 Результаты определения методом трехфакторного эксперимента зависимости деформации элементов контейнера от величины вакуума, температуры наружного воздуха, степени уплотнения зеленой массы в процессе силосования 112

4.2.5 Результаты влияния температуры силосной массы и температуры наружного воздуха на процесс молочнокислого брожения 128

4.2.6 Результаты определения деформаций в элементах контейнера при использовании вакуумирования и без него различными методами 129

4.2.7 Результаты исследования качества силоса, приготовленного в контейнере многоразового использования 135

4.2.8 Результаты исследования качества силоса, приготовленного в различные вегетационные периоды 138

4.2.9 Результаты исследования качества силоса, оставленного на хранении

в контейнере многоразового использования 139

Выводы 140 5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА

ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ СИЛОСА 144

5.1 Экономическая эффективность результатов внедрения 144

5.2 Экономическая эффективность приготовления силосованного корма в железобетонных наземных траншеях 140

5.3 Экономическая эффективность приготовления силосованного корма в полиэтиленовых мешках 147

5.4 Экономическая эффективность приготовления силосованного корма в вакуумированных контейнерах многоразового использования 149

Выводы 155

Общие выводы и предложения производству 156

Основные понятия и условные обозначения 158

Список использованной литературы 160

Приложения 171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В России сельскохозяйственное производство является одной из стратегических отраслей экономики и предназначено обеспечивать население высококачественными продуктами питания и промышленность сырьем. Одно из важнейших мест в сельскохозяйственном производстве занимает животноводство, основную роль в развитии которого играет качество кормления. Из множества кормов, используемых в рационах кормления, одно из определяющих мест занимает силос.

Как отмечено в нормах технологического проектирования хранилищ силоса и сенажа силос высокого качества по своей питательности и биологической ценности почти не отличается от зеленой массы, его использование повышает аппетит, улучшает процессы пищеварения, удовлетворяет потребность сельскохозяйственных животных в витаминах и минеральных веществах. При этом переваримость основных питательных веществ изменяется незначительно [65]. Благодаря этому силос является одним из основных кормов, используемых в зимний период для кормления сельскохозяйственных животных. Поэтому огромное значение уделяется технологиям его производства и хранения.

Многие специализированные издания отмечают, что силосование кормов производится в ямах, буртах, траншеях, башнях, в полиэтиленовых мешках и рукавах.

Выбор типа силосных сооружений обусловлен, прежде всего, количеством одновременно закладываемой массы и продолжительностью закладки. Размер силосохранилищ определяется потребностью хозяйства в силосованном корме в зависимости от количества скота, суточных норм скармливания и продолжительности кормления животных силосом [92, 105].

Однако в их конструкции имеются недостатки в герметизации, уплотнении, в заложении зеленой массы и выемке продукта. В результате, все это сказывается на качестве приготовляемого силоса, на потерях силосуемой массы, и, в конечном

результате, на сохранности силоса высокого качества. Существующие технологии производства силосованных кормов значительно увеличивают затраты на приготовление и хранение единицы продукции.

Развитие материально-технической базы производства силосованных кормов возможно только на основе новых знаний и технических решений, позволяющих создавать технологически эффективные комплексы.

В связи с этим разработка усовершенствованных технологий заготовки силоса и средств для его хранения является актуальной задачей.

Поэтому нами предполагается использовать систему, имеющую качественную герметизацию, а также устройство для откачки воздуха, удаления газо-жидкостной среды и возможность вакуумирования для улучшения хранения.

Степень разработанности проблемы. Огромный вклад в решение вопросов по усовершенствованию технологии силосования, использованию современных средств герметизации хранилищ, увеличению сроков хранения кормовых смесей внесли такие исследователи, как В.И. Авраменко, P.A. Галлямов, В.Ф. Некрашевич, Ф.С. Хазиахметов, С.Н. Хохрин, Б.Г. Шарифянов, и другие ученые. Наиболее значимыми являются научные разработки ученых Германии (X. Гибельхауен, X. Гинапп, Д. Шпаар), и Республики Беларуси (В. Шлапунов).

Несмотря на значительную проработку проблемы силосования кормовых культур с использованием различных технологий и оборудования, по-прежнему остаются малоисследованными вопросы улучшения герметизации хранилищ, сохранности отличного качества корма при длительном хранении без отходов, использовании при хранении вакуумирования.

Все вышеизложенное предопределило цель и задачи, положенные в основу диссертационного исследования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности процесса приготовления и качества силосованных кормов сельскохозяйственным животным за счет совершенствования технологии силосования и последующего хранения с использованием универсальных вакуумированных контейнеров многоразового

использования.

Реализация поставленной цели потребовала решения ряда задач, отражающих логику исследования:

1 провести исследование физико - механических характеристик кукурузной массы, используемой в качестве сырья для получения силоса;

2 разработать модель функционирования технологической линии приготовления силосованного корма для сельскохозяйственных животных с его хранением в вакуумированных контейнерах многоразового использования;

3 разработать конструктивно-технологическую схему универсального вакуумированного контейнера многоразового использования;

4 теоретически и экспериментально обосновать параметры и режимы работы универсального вакуумированного контейнера многоразового использования;

5 провести производственную проверку и оценить экономическую эффективность приготовления силоса в вакуумированных контейнерах.

Предмет, объект и информационно-эмпирическая база исследования.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса приготовления и хранения силоса в универсальных вакуумированных контейнерах многоразового использования.

Объект исследования - технологический процесс приготовления и хранения силосованного корма в вакуумированных контейнерах многоразового использования.

Народнохозяйственное значение работы заключается в создании линии по приготовлению и длительному хранению кормов с сохранением первого класса по качеству, что скажется на результатах деятельности хозяйства по производству молока и других продуктов сельскохозяйственного назначения. При этом значительно снижаются затраты труда на приготовление силоса, на транспортные расходы и энергетические затраты.

Информационно-эмпирическая база исследования формировалась на основе совокупности статистических данных о развитии материально-технической базы сельского хозяйства, экспертных оценок руководителей и специалистов,

работающих в аграрной сфере, материалов личных наблюдений.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе использовались методы системного и структурного анализа, математической статистики и сравнительного эксперимента. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием методов теоретической механики, математического моделирования с использованием дифференциальных уравнений, а также с использованием программного комплекса Structure CAD 11.3. Проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях осуществлялось с помощью стандартных и оригинальных методик с использованием теории планирования эксперимента. Обработка результатов экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики с использованием программ Statistika 8.0, MS Excel, Mashcad 14. Экономическая эффективность предлагаемых разработок определялась по стандартной методике для научно - исследовательских работ.

Научная новизна диссертационного исследования. В диссертации получен ряд положений, отличающихся научной новизной и заключающихся: - в разработке технологии, включающей заготовку зеленой массы (на примере кукурузы), уплотнение в контейнере с отводом части сока, герметизацию, молочнокислое брожение, повторный отвод сока и вакуумирование силоса для длительного хранения;

- в разработке конструкции и обосновании параметров контейнера для выполнения предложенной технологии силосования и хранения силосованного корма;

- в разработке аналитического метода расчета параметров контейнера, позволяющего определять степень загрузки, величину создаваемого вакуума внутри контейнера и необходимую толщину элементов конструкции.

Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена патентами на полезную модель №129768 «Устройство для силосования кормов», №130783 «Установка для приготовления и хранения силоса».

Теоретическая и практическая значимость. По результатам исследований разработан, изготовлен и испытан в лабораторных и производственных условиях опытный образец универсального контейнера многоразового использования. Разработанные технология и контейнер для приготовления и хранения силоса с использованием вакуумирования позволяют осуществлять силосование зеленой кукурузной массы с дальнейшим хранением длительное времени с получением силоса первого класса по качеству.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- модель функционирования линии по приготовлению силосованных кормов с использованием вакуумированных контейнеров для приготовления и хранения силоса;

- конструктивно-технологическая схема вакуумированного контейнера;

- результаты теоретического и экспериментального обоснования параметров и режимов работы контейнера для приготовления и хранения силоса;

- результаты производственных испытаний и экономических расчетов использования вакуумированных контейнеров для производства и хранения силоса.

Реализация результатов исследований. Производственный образец испытан в животноводческом комплексе ООО «Путь Ленина», который находится на территории села «Плахино» Захаровского района Рязанской области. Кроме того, полученные результаты используются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплине «Механизация животноводства» на инженерном факультете ФГБОУ ВПО Рязанский ГАТУ имени В.П. Костычева.

Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований с достаточным числ�