автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности производства молока путем совершенствования технологических, технических и объемно-планировочных решений молочных ферм

I

V

s ъ

Ъ

I

r0

S

S

«

J

£

S

4,

т

1

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(СЗНИИМЭСХ)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА МОЛОКА ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ, ТЕХНИЧЕСКИХ И ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ

РЕШЕНИЙ МОЛОЧНЫХ ФЕРМ

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ ВАГИН Б.И.

Санкт-Петербург - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................7

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ..........................13

1.1. Анализ технологий содержания и обслуживания

крупного рогатого скота......................................................................................13

1.1.1. Общие положения..............................................................................................13

1.1.2. Технология содержания животных........................................14

1.1.3. Технология обслуживания животных....................................21

1.1.4. Сравнительная оценка способов содержания и обслуживания коров............................................................................................30

1.2. Технологическая специализация производства........... 35

1.3. Методика технологического расчета ферм КРС........... 41

1.3.1 .Краткая характеристика технологических

параметров ферм........................................................................................................41

1.3.2. Выбор ритма комплектации и такта работы

секций..........................................................................................................................................44

1.3.3.Исходные данные и порядок технологического расчета............................................................................50

1.3.4. Расчет сектора раздоя и проверки первотелок... 52

1.3.5. Расчет сектора производства молока..............................55

1.3.6. Расчет сектора выращивания ремонтного молодняка....................................................................................................................57

1.3.7. Расчет сектора откорма......................................................................61

1.3.8. Схема размещения и движения поголовья по секторам....................................................................................................................64

1.3.9. Выбор специализации и технологический

расчет ферм.......................................................64

1.3.1 ОЦиклограмма движения технологических

групп животных............................................................................................69

1.3.11 Определение технологических параметров ферм откорма молодняка крупного рогатого

скота............................................................................................................................72

1.3.12 Графический метод определения количества

и вместимости секций....................................................................81

1.4 Анализ технологических, технических и объемно-планировочных решений типовых ферм..................................84

1.4.1 Анализ элементов технологии содержания

коров..................................................................................................................................85

1.4.2 Анализ элементов технологии обслуживания

коров..............................................................................................................89

1.4.3 Анализ технических решений типовых молочных ферм........................................................................................................................91

1.4.4 Анализ объемно-планировочных решений

типовых ферм.........................................................94

1.5 Выводы............................................................................................................................................97

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ РАЗДАЧИ КОРМОВ ЖИВОТНЫМ........................................................................ 100

2.1 Анализ рабочего процесса дозирования стебельчатых

кормов...........................................................................................................100

2.1.1 Производительность битера.................................... 100

2.1.2 Угол взаимодействия пальцев битера с кормом.... 105

2.1.3 Энергоемкость кормоотделителя..................................................108

2.1.4 Динамика движения корма, отделенного пальцем битера...................................................................................................................112

2.1.5 Синтез активного рабочего органа кормовыгруз-

ного механизма.............................................................119

2.1.6 Выводы, задачи экспериментальных исследований кормоотделителя......................................................... 127

2.2 Математическая модель процесса дозирования стебельчатых кормов мобильным раздатчиком с регулятором подачи.................................................................................. 132

2.2.1 Предпосылки к синтезу регулятора подачи..........................132

2.2.2 Анализ звеньев регулятора......................................... 147

2.2.3 Анализ процесса формирования потока корма, поступающего на кормоотделитель..............................................................161

2.2.4 Определение собственной частоты колебаний кормового бурта..........................................................................................................167

2.2.5 Выводы.....................................................................................................................................168

2.3.Методика и основные результаты экспериментальных

исследований процесса дозирования стебельчатых

кормов...................................................................................................................................................172

2.3.1 Исследование работы рабочих органов кормо-отделителя.......................................................................................................172

2.3.2 Проверка адекватности математической модели процесса дозирования стебельчатых

кормов.................................................................... 189

2.3.2.1 Оценка эффективности применения регулятора подачи......................................................... 191

2.3.2.2 Исследование процесса изменения плотности потока корма, поступающего на кормо-отделитель....................................................................................................................198

2.3.2.3 Идентификация коэффициентов дифферин-циального уравнения движения датчика..................205

2.3.2.4 Оптимизация параметров регулятора..........................211

2.3.2.5 Опытно-производственная проверка усовершенствованного кормораздатчика............................226

2.3.3 Выводы................................................................................................................................228

2.4 Исследование дозаторов для дифференцированной

выдачи концентрированных кормов и смесей.................229

2.4.1 Анализ процесса формирования дозы....................................229

2.4.2 Методика и результаты экспериментальных исследований поршневого дозатора......................................245

2.4.3 Выводы......................................................................................................................................261

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УБОРКИ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НАВОЗА................................................................................. 263

3.1 Исследование сетевой модели технологической линии

уборки и транспортирования навоза............................... 263

3.2 Обоснование параметров рабочих органов скреперных навозо-уборочных установок................................................................................284

3.3 Математическая модель процесса транспортирования подстилочного навоза шнековым насосом.................... 293

3.4 Экспериментальная проверка адекватности математической модели............................................................. 304

3.5 Выводы............................................................................ 321

4. ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ФЕРМ............. 323

4.1 Исследование координатных машин................................. 324

4.1.1 Оценка эффективности координатных машин экономико-математическим методом...................... 324

4.1.2 Основные результаты исследований координатных машин в производственных условиях......................... 331

4.2 Обоснование основных параметров мобильного энергетического средства для ферм.............................................. 334

4.3. Основные положения методики экспериментальных

исследований МЭС............................................................ 367

4.4 Результаты экспериментальных исследований и опытно-

производственная проверка МЭС...................................... 382

5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБЪЕМНО - ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ МОЛОЧНЫХ ФЕРМ................................. 405

5.1 Технологические модули для коров и молодняка..........................405

5.2 Анализ конструктивных схем зданий для крупного рогатого скота....................................................................................................................412

5.3 Внутренняя планировка помещений....................................................................419

5.4 Технологические схемы реконструкции помещений................421

5.4.1 Схемы реконструкции зданий шириной до 12 м..........421

5.4.2 Схемы реконструкции зданий шириной 18м....................428

5.4.3 Схемы реконструкции зданий шириной 21 м...........432

5.5 Заключение, выводы................................................................................................................435

6. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ ОТ

ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОТХОДАМИ ЖИВОТНОВОДСТВА И СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОДУКЦИИ............... 437

6.1 Определение экономически целесообразных размеров

ферм.................................................................................. 437

6.2 Определение экологически безопасных размеров ферм

и комплексов...................................................................... 443

6.3 Анализ энергетического взаимодействия животноводческого помещения с культивационными сооружениями 460

6.4 Технологические параметры, технические и объемно-планировочные решения безотходных молочных ферм 472

6.5 Выводы................................................................................ 484

7. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ......................................................................................................................................487

8. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ....................................511

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................................................517

ВВЕДЕНИЕ

Молоко - один из ценнейших продуктов питания человека. Древние называли молоко соком жизни, белой кровью, источником здоровья. По питательной ценности оно может заменить любой продукт, но ничто не может заменить молоко.

Однако уровень потребления молока в нашей стране еще значительно ниже научно обоснованных норм, согласно которым 30... 35% суточного рациона человека должно приходиться на молочные продукты.

Оставляют желать лучшего и показатели эффективности производства молока, которые существенно уступают показателям стран с развитым молочным животноводством. В связи с этим повышение эффективности производства молока и его конкурентоспособности по отношению к импортируемой продукции представляет собой важную народнохозяйственную проблему.

Животноводческая ферма представляет собой весьма сложную биотехническую систему, в которой животные выступают не только как средство переработки корма в конечную продукцию, но и как средство воспроизводства стада. В этой системе технологии содержания и обслуживания животных, машины и помещения, т.е. технологические, технические и объемно-планировочные решения, составляют единое целое.

Повышение эффективности и экологической безопасности производства молока путем совершенствования этих решений и составляет цель настоящей работы.

Задачи исследований:

1. определить основные требования, предъявляемые технологиями содержания и обслуживания крупного рогатого скота (КРС) к средствам механизации производственных процессов,

планировке помещений и ферм в целом, и оценить с позиций этих требований технологические, технические и объемно-планировочные решения типовых молочных ферм;

2. разработать методику расчета технологических параметров ферм, обеспечивающую выполнение зооветеринарных требований к формированию и размещению групп животных;

3. усовершенствовать существующие и создать новые средства механизации наиболее трудоемких процессов кормления животных, внесения подстилки, уборки навоза и на основе экспериментально-теоретических исследований обосновать методики инженерного расчета предлагаемых машин и установок;

4. сформировать типоразмерный ряд технологических модулей для коров и молодняка, охватывающий возможные сочетания разных технологий содержания животных с различными способами и средствами механизации производственных процессов, и разработать рациональные схемы размещения этих модулей в типовых зданиях;

5. разработать методы определения экономически целесообразных и экологически безопасных размеров ферм КРС;

6. обосновать перспективные направления решения проблемы охраны природы от загрязнения отходами животноводства и снижения энергоемкости продукции;

7. разработать технологические, технические и объемно-планировочные решения безотходных молочных ферм и определить их экономическую и энергетическую эффективность.

Научными основами настоящего исследования явились труды академиков Горячкина В.П., Василенко П.М., Жебровского J1.C., Кормановского Л.П., Краснощекова Н.В., Липковича И.Е., Прохоренко П.Н., Рунова Б.А., Сыроватки В.И., Эрнста Л.К., Янковского И.Е., докторов наук Агеева Л.Е., Алешкина В.Р., Антипина В.Г., Артюшина A.A., Барсова H.A., Вагина Б.И., Вайнруба

В.И., Велигжанинова В.И, , Давидсона Е.И., Еникеева В.Г., Завражного А.И., Карташова Л.П., Кобы В.Г., Ковальчука Ю.К., Кузнецова А.Ф., Мельникова C.B., Морозова Н.М., Передни В.И., Попова В.Д., Сечкина B.C., Скробача В.Ф., Стремнина В.А., Сысуева В.А., Сычугова Н.П., Цоя Ю.А. и других ученых.

В исследованиях использованы математическое моделирование процессов, сетевые модели технологических линий, методы планирования экспериментов, современная аппаратура и вычислительная техника.

Научную новизну работы составляют:

методика и программы расчета технологических параметров ферм КРС, обеспечивающие выполнение зооветеринарных требований и выбор наиболее эффективной стратегии реконструкции ферм хозяйства или объединения;

теоретические основы и методы снижения энергоемкости кормораздающих устройств и повышения качества их работы;

аналитические зависимости для определения рациональных параметров и режимов работы установок для уборки и транспортировки навоза;

метод анализа животноводческих помещений по комплексу критериев, применение которого позволяет унифицировать строительные элементы сельскохозяйственных зданий и, тем самым, сократить затраты как на их строительство, так и на реконструкцию при смене технологий и средств механизации производственных процессов;

графоаналитические методы определения экономически целесообразных и экологически безопасных размеров ферм и комплексов КРС;

математическая модель энергетического взаимодействия животноводческого помещения с культивационным сооружением;

Новизна предложенных технических решений защищена 13-ю авторскими свидетельствами и 3-мя патентами Российской Федерации.

Работы, выполненные под руководством и при непосредственном участии автора, отмечены золотой и тремя серебряными медалями ВВЦ, премиями двух Всероссийских конкурсов и дипломом победителя конкурса имени В.Г. Антипина. На защиту выносятся:

методика расчета технологических параметров ферм; математическая модель процессов дозирования стебельчатых кормов мобильным кормораздатчиком и транспортирования навоза шнековым насосом;

сетевые модели технологической линии уборки и транспортирования навоза;

результаты экспериментально-теоретических исследований технических средств для раздачи кормов животным, уборки и транспортирования навоза;

основные положения создания многофункциональных координатных и мобильных агрегатов для животноводческих ферм;

результаты технологической оценки зданий для КРС и рекомендуемые схемы размещения в них технологических модулей для коров и молодняка;

проектно-технологические решения безотходных молочных ферм, обеспечивающие существенное снижение энергоемкости и повышение экологической безопасности производства молока;

По теме диссертации опубликовано более 250 работ, в том числе одна монография и 7 книг, написанных в соавторстве. В работах, выполненных в соавторстве, по взаимному согласию авторам принадлежат равные доли.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях РАСХН и МСХиП РФ "Научно-

технический прогресс в инженерной сфере АПК России" (Москва, 1992, 1994,1996, 1997 гг.), на международной конференции "Проблемы механизации и автоматизации животноводства" (Подольск, 1988 г.), на IY международной научной конференции "Проблемы охраны окружающей среды при интенсификации производства продукции животноводства" (Варшава, 1998 г.), на научно-практической конференции "Энергосбережение в сельском хозяйстве" (Москва, 1998 г.), на международной научной конференции "Инженерные проблемы животноводства и окружающей среды" (Раудондварис, 1997 г.), на III международном симпозиуме "Экологические аспекты механизации использования удобрений, охраны растений и обработки почвы" (Варшава, 1996 г.), на научно-технической конференции "Проблемы прогнозирования научно-технического прогресса в машиностроении для животноводства и кормопроизводства" (Киев, 1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" (Минск, 1989 г.), на 10-м международном конгрессе по сельскохозяйственной инженерии (International commission of agricultural engineering - CIGR, Будапешт, 1986 г.), на совещании "Интенсификация животноводства" (Йошкар-Ола, 1986 г.), на заседании секции НТС Главнечернозема Минсельхозпрода РСФСР (1991 г.), на НТС МСХ СССР (Москва, 1983 г.), на НТС МСХ РСФСР (г. Москва, 1983 г.), на XXXIII конференции Европейской Ассоциации по животноводству (Ленинград, 1982 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы комплек�