автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование процесса дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей и обоснование параметров дозатора-сдабривателя

На правах рукописи

Варламова Татьяна Васильевна ✓

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАННОГО СДАБРИВАНИЯ РАССЫПНЫХ КОРМОСМЕСЕЙ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОЗАТОРА-СДАБРИВАТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов, 1998 г.

Работа выполнена на кафедре механизации производства и переработки продукции животноводства Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова.

Научные руководители:

Кандидат технических наук, профессор

В.А. Мухин

Кандидат физико-математических наук, профессор А.И. Есин

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

Л.И. Высоцкий В.М. Нисифоров

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока.

Защита состоится 30 октября 1998 г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 120.72.02 в Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилоса по адресу: 410600, г. Саратов, ул. Советская, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ им. Н.И. Вавилова.

Автореферат разослан « 29 » сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор технических наук.

профессор

Волосевич Н.П.

ОГ.ЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для увеличения производства и повышения качества животноводческой продукции наиболее важно полноценное кормление животных. Сбалансировать рацион крупного рогатого скота н сделать его полноценным можно путем приготовления кормовых смесей. При этом известно, что переваримость рассыпных кормосмесей выше, чем гранулированных и брикетированных, а трудоемкость и энергоемкость их приготовления значительно ниже. В состав рассыпных кормосмесей включают значительное количество малоценных кормов, таких как солома и низкосортное сено. Для повышения поедаемостн и усвояемости таких кормов применяют сдабривание нх различными питательными растворами, макро- и микродобавками. Все добавки целесообразно вводить в смесь в виде раствора, что способствует более равномерному распределению добавок в массе корма и способствует повышению влажности кормосмеси до 65... 75%.

При сдабривании кормосмесей особое внимание должно уделяться точности дозирования добавок и равномерности сдабривания смеси. Согласно зоотехническим требованиям, погрешность дозирования не должна превышать 5... 10% по массе, а показатель однородности смеси должен быть не менее 90%.

В настоящее время для дозированного введения в рассыпные кормосмеси сдабривающих компонентов применяются различные виды оборудования, которые, в основном, позволяют осуществлять объемное дозирование сдабривающих компонентов. Устройства с массовым способом дозирования являются более точными, но при этом имеют более сложную конструкцию и являются порционными. Для достижения требуемой однородности смеси применяется перемешивание сдобренных кормов в порционных или непрерывных смесителях. При этом происходит налипание влажного корма на детали оборудования и коррозионное разруше-

ние металлических деталей в результате воздействия сдабривающего раствора, что приводит к учашеншо поломок и сокращению срока службы оборудования.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование процесса сдабривания соломосодержащих рассыпных кормовых смесей жидкими добавками за счет использования ресурсосберегающего дозатора-сдабривателя.

В связи с поставленной целью были решены следующие задачи:

1. Составлена классификация существующих дошоров-сдабривателей.

2. Разработана конструктивно-технологическая схема дозатора-сдабривателя в соответствии с наиболее рациональным направлением, выбранным на основании выполненной классификации.

3. Разработана математическая модель рабочего процесса дозатора-сдабривателя; выявлены основные зависимости между конструктивно-технологическими и режимп^уи параметрами. Проведен вычислительный эксперимент для оценки влияния различных факторов на рабочий процесс устройства.

4. Проведены экспериментальные исследования рабочего процесса дозатора-сдабривателя на экспериментальном образце с' целью оптимизации его конструктивно-технологических параметров. Осуществлен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных.

5. Проведены производственные испытания дозатора-сдабривателя для оценки его работоспособности в условиях поточной технологической линии кормоприготовителыюго цеха. Определена экономическая эффективность разработанного дозатора-сдабривателя.

Наущая новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- предложена конструкция устройства для дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей, защищенная патентом РФ;

- установлены основные закономерности процесса дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей с помощью дозатора предложенной конструкции;

- предложены формулы для инженерного расчета основных конструктивно-технологических параметров дозатора с учетом физико-механических характеристик кормовой смеси;

- получена замкнутая система уравнений, описывающих рабочий процесс дозатора-сдабривателя, и разработана программа для решения системы численными методами с помощью ЭВМ.

Практическая ценность. Полученные результаты исследований позволили создать более экономичную конструкцию устройства для дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей. Применение такого устройства в кормопроизводстве позволяет осуществлять дозирование питательного раствора по массе измельченного корма, снизить энергоемкость процесса сдабривания, исключить воздействие сдабривающего раствора на металлические детали оборудования и, следовательно, сократить число поломок и увеличить срок службы смеси геля.

Реализация работы. По результатам исследований изготовлен доза-тор-сдабриватель для рассыпных кормосмесей и передай в эксплуатацию в кормоцех учхоза «Красная звезда» Аткарскопо района Саратовской облзсти.

Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими организациями при разработке нового оборудования для дозированного введения жидких добавок в кормосмеси.

На защиту выносятся:

- классификация дозаторов-сдабривателей рассыпных кормосмесей;

- математическая модель рабочего процесса дозирующего устройства;

- метод инженерного расчета местоположения дозирующего барабана, числа и диаметра прутков лопасти.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях Саратовского государственного агроинженерного университета ежегодно с 1995 г. по 1998 г. на секциях «Механизация производства и переработки продукции животноводства» и «Гидравлические исследования».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 197 страниц, в том числе 32 страницы иллюстраций, 16 страниц приложений, 1 таблица. Список литературы из 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе обоснована необходимость дозированного сдабривания кормовых смесей. Приведен аналитический обзор существующих средств дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей. На основании анализа конструктивных особенностей рассмотренных устройств составлена классификация дозаторов-сдабривателей. Дан обзор теоретических исследований вопросог дозирования жидкостей и увлажнения пористых сред. Вопросы дозирования кормов рассматривались в работах Мельникова C.B., Кобы В.Г., Уланова И.А. и др. Вопросу увлажнения пористых сред посвящены работы Гупало Ю.П., Черепанова Г.П., Мясни-кова В.П, и др.

Анализ конструктивно-технологических схем существующих средств дозированного сдабривания показал эффективность применения дозаторов-сдабривателей непрерывного действия с массовым дозированием сдабривающих компонентов. Питательный раствор целесообразно вводить в хормосмесь в падающем потоке, используя для работы распылы-

теля энергию воздушного потока в материалопроводе, создаваемого вращающимися органами уже работающего оборудования поточной технологической линии. Для привода дозатора можно использовать энергию падающего потока кормосмеси.

Анализ теоретических исследований показал необходимость совершенствования методов расчета барабанных лопастных дозаторов применительно к случаю дозирования измельченных стебельных кормов.

Исходя из рассмотрения характерных особенностей существующих дозаторов-сдабривателей, разработанной классификации и теоретических исследований по вопросу дозированного сдабривания рассыпных кормо-смесей, поставлена цель и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведено обоснование новой конструктивно-технологической схемы дозагора-сдабривателя рассыпных кормосмесей, построена математическая модель его рабочего процесса и предложены методы расчета местоположения дозирующего барабана, числа и диаметра прутков лопасти.

Предлагаемое устройство разработано на базе измельчителя-смесителя ИСК-3, широко применяемого в настоящее время в составе кормоприготовительных линий К-Р-7-1, К-Р-7-2 и кормоцехов КОРК-15, КОРК-15А для приготовления рассыпных кормовых смесей.

Предлагаемый дозатор (рис. 1) включает в себя лопастной барабан 1, состоящий из вала с четырьмя закрепленными на нем радиальными стержневыми лопастями. Вал барабана установлен с возможностью вращения во втулках, смонтированных в боковых стенках выходного оголовка выгрузного транспортера 2. Посредством цепной передачи вал барабана связан с валом насоса 3. Всасывающий патрубок насоса Соединен с расходной емкостью 4 для питательного раствора, закрепленной на кожухе выгрузного транспортера 2. Напорный патрубок насоса соединен с трубопроводом 5 для подачи питательного раствора. Второй конец трубо-

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема дозатора-сдабривателя.

1 - лопастной барабан; 2 - выгрузной транспортер; 3 - насос; 4 -расходная емкость; 5 - трубопровод; 6 - воздуховод; 7 -распылитель.

Рис. 2. Схема дозирующего устройства.

1 - неподвижный диск; 2 - подвижный диск; 3 - вал лопастного барабана; 4 - пружина; 5 - упорная гайка; Л - шкала.

провода соединен с воздуховодом 6, идущим от воздуховыпускного отверстия выгрузного транспортера к распылителю 7. Для регулирования массы корма, сдабриваемого одной порцией питательного раствора, лопастной барабан оборудован регулировочным механизмом (рис. 2),-состоящим из двух дисков: неподвижного 1 и подвижного 2, установленных на валу 3. Прижатие диска 2 к диску 1 регулируется пружиной 4, которая ограничен? упорной гайкой 5. Регулировочный механизм снабжен оттарированной шкалой 6.

Устройство работает следующим образом.

При включении в работу измельчителя-смесителя в нижней части его рабочей камеры возникает воздушный поток, создаваемый лопастями швырялки. Через воздуховыпускное отверстие он отводится в воздуховод и движется по нему к распылителю, попутно захватывая питательный раствор, вытекающий из трубопровода. В это же время измельченный корм перемещается по скребковому транспортеру и падает на лопасть дозирующего барабана. При скоплении на лопасти массы корма, заданной регулировочным механизмом, вращающий момент силы тяжести корма превысит момент силы трения дисков, определяемый сжатием пружины, и дозирующий барабан поворачивается. При этом отмеренная доза корма ссыпается с лопасти в кузов транспортного средства, а падающий с транспортера корм начинает загружать следующую лопасть, которая перекрывает в этот момент сечение оголовка. Поворот вала посредством цепной передачи передается на вал насоса. Происходит захват насосом питательного раствора, заполняющего емкость, и подача его в трубопровод. При этом частота вращения насоса соответствует частоте вращения дозирующего барабана, что обеспечивается цепной передачей. По трубопроводу доза питательного раствора вытекает в воздуховод, захватывается потоком воздуха, движущимся по воздуховоду, и транспортируется к распылителю, где разбрызгивается а массу корма, ссыпающуюся с лопасти. Для измене-

ния массы корма, сдабриваемого одной порцией раствора, необходимо в соответствии со шкалой изменить положение упорной гайки регулировочного механизма.

Рабочий процесс дозатора-сдабрипателя состоит в отмеривании заданных порций кормосмеси и сдабривании их постоянными порциями питательного раствора. Дозатор работает по принципу уравновешивания моментов сил, действующих на его подвижные части, относительно оси вала дозирующего барабана (рис. 3). Для получения уравнения вращения дозирующего барабана использована теорема об изменении кинетического момента системы:

¿(Зш.^О^Н,, 0)

где ГП^ - движущиеся массы, кг;

К х - радиусы центров тяжести движущихся масс, м;

Ьи - линейные скорости движения центров масс, м/с;

М ^ - моменты движущих сил, 11м.

Дня рассматриваемого дозагора-сдабривателя главный момент внешних сил определяется как разность вращающего момента от силы тяжести порции корма и полного момента сопротивления вращению:

2 М> ~ Мк- Мтр . (2)

Полный момент сопротивления вращению складывается из моментов, расходуемых на преодоление силы трения в подшипниках М трл, асты трения дисков М трл, силы трения покоя М трдас, сопротивления воздуха М тр-вощ, а также момента, передаваемого на вал насоса М тргар:

НтГ = Мтр0+ Мтток * Нтгыи+ Н1?.п£р. (3)

Основное уравнение вращения дозирующего устройства имеет вид:

(4)

где Л • угол поворота системы, град.;

• I - момент инерции системы, кг-»А;

Рис. 3. Расчетная схема дозирующего барабана

Мк- вращающий момент от силы тяжести корма, Н-м; Идр - момент сопротивления вращению, Н м; Мп? - присоединенный момент, Н-м;

К - переменный коэффициент, учитывающий силы трения в подшипниках и момент инерции порции корма относительно оси вращения, кг-м^/с,

К I (5)

14 - ктр.о ко ^

здеськтм- коэффициент трения вала в подшипниках, Н-с/м; У.0 - радиус вала дозирующего барабана, м;

1к - момент инерции порции корма, кг м^.

Вращающий момент от силы тяжести корма Мк составляет:

Нк= т* д-йк опЦ-ХО, (6)

где Юк • масса корма на лопасти, кг;

^ - гравитационная постоянная, м/с2;

Як- расстояние от оси вала до центра тяжести порции корма, м; X к - угол, образуемый плоскостью, проходящей через ось вращения дозирующего устройства и центр тяжести порции корма, и плоскостью лопасти, град. (рис. 4).

Момент сопротивления вращению системы Мтр составляет:

' . МТР-МТРЛ+МТР.Ш». (7)

Момент, расходуемый на преодоление силы трения дисков А, определяется по формуле:

И Г >- С Гп>-1и I¡2 («)

где { - динамический коэффициент трения скольжения дисков; X - удлинение (осадка) пружины, м;

& - модуль упругости материала пружины, Н/м^;

I? и? - радиус оси пружины, м; Гп? - радиус проволоки, м; 14. - число витков пружины. Момент Мте.гер, передаваемый на вал насоса, составляет:

Мтрл1ер 1 та • (9)

где I - передаточное число;

Р - теоретическое давление насоса, Па; £},т - теоретическая подача насоса за один оборот, м; 1' мех - неполный механический КПД насоса Присоединенный момент М пр равен:

'Л * л '' (10)

Уравнение (4) содержит переменные величины Л к (I), 1к (0, шк (I), Пк (I), поэтому для его решения необходимо составить дополнительные уравнения, связывающие эти переменные.

Рабочий цикл рассматриваемого дозатора-сдабривателя состоит из двух этапов.

1 этап - нагружение кормом лопасти дозатора. Этот этап продолжается, пока масса корма на лопасти ГО к меньше массы порции ГП0, заданной регулировочным механизмом. При этом угол поворота X и угловая скорость (О вращения системы равны нулю.

Масса корма на лопасти дозатора в этом случае определяется подачей транспортера 0 :

ГТ1К-(К. (11)

Расстояние от оси вала до центра тяжести порции корма определяется по формуле: __,

' (12)

где 2 с - расстояние от плоскости лопасти до центра тяжести порции

корма, м;

К - расстояние от оси вала до центра тяжести лопасти дозатора, м. Величины Й*. , ?с определяются из условия, что порция корма на лопасти дозатора в соответствии с нормальным законом распределения имеет форму шарового сегмента. При этом соотношение высоты и радиуса основания шарового сегмента (рис. 3) характеризуется зависимостью:

- к,* Ч

К 1-С051? ' (13)

где Ц - угол при основании сегмента, град.;

к* - формпараметр, изменяющийся в пределах:

1 ^ (14)

Высота шарового сегмента равна:

к. - егп

^Н'Ьк^' (15)

где - насыпная плотность кормосмеси, кг/иЛ Расстояние 2С в этом случае составит:

Ьк, (16)

где кг - постоянный безразмерный коэффициент;

к,. г 4 (")

0,4 п?и ^ 12*.

Угол Хк для первого этапа определяется по формуле:

. , 2Л (18) ЛК-агс1д С у'

2 этап - поворот лопасти дозатора и ссыпаыие корма. Этот этап начинается, когда масса корма на лопасти превысит заданную, и

продолжается до поворота барабана на угол X. = 90° (рис. 3).

В этом случае масса корма на.лонастн определяется выражением:

Шн- (19)

где Vi.iiг -объем порции корма, заданной регулировочным механизмом, м^.

ИГт - объем корма, ссыпавшегося с лопасти, м-1. Объем заданной порции корма составляет:

где R ш - радиус шара, м.

Объем ссыпавшегося корма составляет:

JLl?. (i-mi)' о* coil). * (21)

Расстояние R *. на втором этапе определяется по формуле:

1 ' íSin Ч" x

» (1- coi if)1- (2* tos tf) - (1- coi i)1- (2* cos 1) - Ц sin ц ■ tas JL-+ sin J.- cos 1- tos(i{-+ jinfi?-i) íin5J.] -f (Ым^О-ИпА-■ls¡n(4-¿)+ tos(n-Jl)l]-»(l-tos',if) sinJL |г + U sinJ- fi-cosq}2 (¿+cos ц)+ Sin • ({-M$JL),-(2*co$X) [i¡n¿-mf4-jL)-2 sfnЦ- ^ Sin + [cosí- 3 sin flf-X)- sin J. + tos2 jL]Ja

(22)

Угол JLk в течение второго этапа составляет:

i*- Иtcs* Ü - з í105 ^tos ¿W4- л) - [s«a * ¿ *

-1. f^fi^a^ u^ir (23)

Условие начала поворота системы имеет вид: Мк ■■ И т?.д + Кт?. пьр - М чр.

где М*. - вращающий момент от силы тяжести заданной порции корма, Н-м.

Из условия (24) получено выражение, определяющее время отмеривания заданной порции корма в зависимости от конструктивно-технологических парау -гров дозатора:

° Ц ° ' (25)

Величина удлинения (осадки) пружины \ , соответствующая заданной массе порции корма Ш0, определяется по формуле:

Х-С^ИЛ-^Т^- ад

где А, С - постоянные коэффициенты:

А

-ili ч

s /

i g Q

I Tv P,-(í*5kU ' <27)

г _ & а д- я. Гпр -а

' (28) Для определения конструктивных параметров дозатора получено уравнение траектории падения частицы корма с полотна транспортера, позволяющее оптимизировать размещение дозирующего барабана относительно оголовка транспортера:

Х™ = у + 2 «s Ji- ЬтР Q Î,

где ■ Утр - расстояние по горизонтали от точки отрыва частицы корма от полотна транспортера до центра лопасти дозатора, ? < ; bip - аналогичное расстояние по вертикали, м; lío - скорость движения полотна транспортера, м/с; J> - угол наклона полотна транспортера к горизонту, град. Для выбора оптимального числа и диаметра прутков лопасти получено условие прочности прутка лопасти дозатора:

' ' (30)

где 10 - расстояние между осями соседних прутков, м;

[ - ширина оголовка транспортера в свету, м;

с!п - диаметр прутка, м;

Р.<- - расчетное сопротивление материала, Па.

На основании полученных аналитических зависимостей был проведен вычислительный эксперимент с целью выявления основных закономерностей рабочего процесса дозатора-сдабривагеля, оценки влияния различных факторов на параметры рабочего процесса и оптимизации конструктивных параметров устройства.

По результатам вычислительного эксперимента были построены графики изменения угла поворота, угловой скорости и массы корма на лопасти дозирующего барабана с течением времени. Из анализа графиков выявлена характерная особенность дозатора: для обеспечения устойчивой работы дозатора задаваемая масса порции корма должна соответствовать подаче корма выгрузным транспортером. По результатам вычислительного эксперимента построен сводный график режимов работы (рис. 5), который может использоваться для выбора оптимальной массы порции корма в зависимости от подачи. На основании выражений (25), (26) построены графики (рис. 6) для определения времени отмеривания заданной порции корма и величины затяжки пружины в зависимости от задаваемой массы порции.

В третьей главе приведена методика проведения и результаты исследования физико-механических свойств соломосодержащих рассыпных кормосмесей и их компонентов. Дано описание экспериментальной установки, приборов и методики проведения экспериментальных исследований с целью оптимизации конструктивных и рехгимных параметров дозатора-сдабрнвателя. В качестве критериев оптимизации выбраны:

Рис. 5. Сводный график режимов работы дозатора

Рис. 6. Регулировочные графики дозатора-сдабривателя:

а) по массе порции корма ГПэ I б) по времени дозирования 10 .

1) Относительное среднеквадратическое отклонение (коэффициент вариации) содержания питательного раствора в элементарном объеме кормосмеси от среднего как оценочный показатель неравномерности сдабривания кормосмсси:

2) относительное отклонение объема питательного раствора, предназначенного для сдабривания заданной порции кормосмеси, от требуемого как оценочный показатель погрешности дозирования.

Были исследованы зависимости неравномерности сдабривания кормосмесей от массы порции корма, подачи корма транспортером, статического напора в трубопроводе, угловой скорости дозирующего барабана, а также зависимость погрешности дозирования раствора по массе сдабриваемого корма от угловой скорости барабана.

Исследования проводились в виде серии однофакторных экспериментов. По результатам исследований были построены графики зависимости критериев оптимизации от соответствующих факторов (рис. 7, В, 9). Анализ графиков позволил определить область оптимальных значений параметров дозатора, обеспечивающих нормативные значения критериев оптимизации:

- угловая скорость вращения дозирующего барабана£0 = 1,6. ..9 1/с;

- масса порции корма Шо = 0,4...3,1 кг;

- подача корма транспортером 0. не более 2,9 кг/с;

- статический напор на выходе из распылителя И =3,3...6,2 м.

Для проверки достоверности выбранной математической модели по

данным теоретических и экспериментальных исследований были построены графики зависимости частоты вращения дозирующего барабана от подачи корма (рнс. 10). Сравнительный анализ графиков свидетельствует о том, что выбранная модель с достаточной точностью описывает реальный процесс.

0 1 2 3 ч 5 6 Н, м

Рис. 7. Зависимость неравномерности сдабривания )) от массы порции корма гп0 и статического напора И.

1

1

1 1

s

---- ---

/ 1 1

с*)оп| с" 1 1 -"1

О 5 10 15 ц

Рис. 9. Зависимость погрешности дозирования $ от угловой скорости и) .

О * Ч- & 4 ю 12 О, с"1

Рис. 8. Зависимость неравномерности сдабривания Р от подачи корма О и угловой скорости ц) .

Рис, 10. Сравнительный график зависимости частоты вращения И от подачи й .

В четвертой главе приведены результаты производственных испытаний предложенного дозатора-сдабривателя рассыпных кормосмессй.

Производственные испытания проводились в учхозе «Красная звезда» Аткарского района Саратовской области. Испытуемый дозатор-сдабриватель был установлен под оголовком выгрузного транспортера Т-20, ведуицго от измельчителя-смесителя ИСК-3. Целью испытаний являлась проверка работоспособности дозатора в условиях поточной технологической линии и уточнение оптимальных значений его конструктивных и режимных параметров.

Испытания показали, что дозатор-сдабриватель в реальных производственных условиях работает в устойчивом режиме, обеспечивая высокую точность дозирования сдабривающего раствора ( = 5...7%) и равномерное увлажнение им измельченного корма (92...96%). При транспортировании готовой кормосмеси к местам кормления животных с помощью мобильных ил И стационарных кормораздатчиков равномерность сдабривания возрастает вследствие дополнительного перемешивания.

В пятой главе приведен расчет экономической эффективности до-затора-сдабривателя предложенной конструкции. В качестве базового образца был выбран стационарный смеситель мелассы и карбамида СМ-1,7, наиболее часто агрегатируемый с измельчителем-смесителем ИСК-3.

Расчеты показали, что экономия капитальных вложений при применении дозатора-сдабривателя составляет 29874,384 руб., степень снижения эксплуатационных расходов - 98,8%. Годовой экономический эффект от использования новой машины составляет 14041,75 руб., срок окупаемости 0,026 года.

В приложении даны описание изобретения к патенту РФ № 2097995 от 10.12.97 г., листинг и данные программы расчета процесса дозирования кормосмеси лопастным барабаном, акт о внедрении законченной научно-исследовательской, опытно-конструкторской работы в

учхозе «Красная звезда» Аткарского района Саратовской области.

ОСНОВ! 1ЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Повышение питательности и поедаемости рассыпных соломосо-держащих кормовых смесей целесообразно осуществлять путем сдабривания их жидкими питательными растворами.

2. Анализ существующих средств и способов сдабривания кормо-смесей показал, что процессы дозирования и распределения питательных растворов в массе корма изучены недостаточно глубоко, а средства механизации для их реализации должны быть более эффективными.

3. Разработанная классификация средств и способов сдабривания кормосмесей позволила выявить наиболее перспективное направление их развития. В результате была создана конструктивно-технологическая схема дозатора-сдабривателя (патент РФ № 2097995 от 10.12.97 г.), позволяющего осуществлять, дозирование и внедрение жидких добавок в кормосмеси в зависимости от интенсивности падающего потока корма без привлечения дополнительных энергетических затрат.

4. Для описания рабочего процесса дозатора-сдабривателя была разработана математическая модель, позволяющая установить оптимальный режим работы устройства. Предложен метод инженерного расчета конструктивных параметров устройства: местоположения дозирующего барабана относительно оголовка транспортера, а также количества и диаметра прутков лопасти.

5. В результате экспериментальных исследований выявлены оптимальные значения конструктивно-технологических и режимных параметров дозатора-сдабривателя, обеспечивающие значения погрешности дозирования и неравномерности сдабривания, определенные зоотехническими нормами: угловая скорость вращения дозирующего устройства от

1 ,6 до 9,0 1/с; подача корма транспортером не более 2,9 кг/с; масса порции сдабриваемого корма от 0,4 до 3,1 кг; статический напор на выходе из распылителя от 3,3 до 6,2 м.

6. Результаты производственных испытаний дозатора-сдабривателя, изготовленного по материалам исследований, показали работоспособность дозатора-сдабривателя п условиях поточной технологической линии кормоцеха. При этом значения качественных показателей погрешности дозирования и неравномерности сдабривания корма оказались в пределах зоотехнических требований: точность дозирования сдабривающего раствора составляет до 96%, а неравномерность сдабривания - 6.. .9%.

7. Расчет технико-экономической эффективности дозатора-сдабривателя показал, что годовой экономический эффект от его использования составляет 14041,75 рублей. Это достигается за счет простоты изготовления н обслуживания устройства, а также применения ресурсосберегающих технологий. Срок окупаемости дозатора-сдабривателя составляет 0,026 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Варламова Т.В., Мухин В.А., Есин А.И. Патент РФ № 2097995 на изобретение «Дозатор питательного раствора в измельченную массу корма». Опубл. В БИ 10.12.97 г.

2. Варламова Т.В., Есин А.И. Теоретическое обоснование технологического процесса дозатора питательного раствора в измельченную массу корма. Деп. в ВИНИТИ 07.07.97 г. № 2211-В97.

3. Варламова Т.В. Классификация устройств для дозированного сдабриваш-л рассыпных кормосмесей. Дсп. в ВИНИТИ 19.12.97 г. № 3680-В97.

4. Варламова Т.В. Опыт использования жидких питательных добавок в кормопроизводстве. Деп. вВИНИТИ 19.12.97 г. № 3681-В97.

5. Мухин В.А., Есин А.И., Варламова Т.В. Дозатор-сдабриватель измельченных кормовых смесей. Информ. листок Саратовского ЦНТИ. -1998. - № 145-98.

Автореферат

Ф„ И , О. Варламова Т. В.

Совершенствование процесса дозированного слабрирования рассыпных

кормосмесей и обоснование параметров дозатора-сдабривателя.__

Подписано к печати 25.09.1998 г. Объем 1,0 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 351

Типография ЦНТИ' 410600, г. Саратов, ул. Советская, 60.

0.

-¿г

Саратовский Государственный аграрный университет

им. Н.И. Вавилова

Варламова Татьяна Васильевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАННОГО СДАБРИВАНИЯ РАССЫПНЫХ КОРМОСМЕСЕЙ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОЗАТОРА-СДАБРИВАТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор Мухин В.А.,

кандидат физико-математических наук, профессор Есин А.И.

Саратов, 1998 г.

РЕФЕРАТ

Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 60 иллюстраций, в том числе 26 схем, 22 графика и 12 фотографий. Список использованной литературы включает 95 наименований, из них 1 на иностранном языке. Ключевые слова: рассыпные кормосмеси, сдабривающий раствор, дозатор-сдабриватель, дозирующий барабан.

В работе раскрывается значение проблемы дозированного сдабривания соломосодержащих рассыпных кормовых смесей питательными растворами. Определены требования, предъявляемые к устройствам для дозированного сдабривания кормосмесей, обоснована рациональная конструктивно-технологическая схема дозатора-сдабривателя. Основной объект исследований - процесс дозирования сдабривающего раствора в зависимости от массы кормосмеси и внедрения его в падающий поток корма с помощью дозатора-сдабривателя (патент РФ № 2097995 от 10.12.97 г.).

Предложена математическая модель рабочего процесса дозирующего устройства в виде замкнутой системы уравнений, и составлена программа решения этой системы с помощью ЭВМ, а также получены расчетные формулы для определения конструктивно-технологических параметров устройства.

С помощью серии натурных однофакторных экспериментов выявлены и обоснованы оптимальные конструктивные и режимные параметры дозирующего устройства.

Приведены результаты производственных испытаний и рассчитана экономическая эффективность применения предложенного дозатора-сдабривателя.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДОЗИРОВАННОГО СДАБРИВАНИЯ КОРМОВ..........................7

1.1. Обоснование необходимости сдабривания соломосодержащих рассыпных кормосмесей.........7

1.2. Обзор существующих устройств для дозированного сдабривания кормов............... 11

1.3. Классификация и анализ технических средств для дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей.........................31

1.4. Обзор исследований дозирования жидкости

и увлажнения пористых сред.....................38

1.5. Цели и задачи исследования......................44

2. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДОЗАТОРА-СДАБРИВАТЕЛЯ.........47

2.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы дозатора-сдабривателя рассыпных кормосмесей...................................47

2.2. Конструктивно-технологическая схема дозатора-сдабривателя..........................48

2.3. Анализ процесса дозирования кормовой смеси дозатором-сдабривателем

предложенной конструкции......................57

2.3.1. Анализ процесса нагружения кормом

лопасти дозирующего барабана...................67

2.3.2. Анализ процесса поворота барабана

и ссыпания корма.............................. 79

2.4. Методика проведения и анализ

результатов вычислительного эксперимента.........88

2.5. Обоснование местоположения лопастного барабана в выходном оголовке выгрузного транспортера.................................. 103

2.6. Расчет количества и поперечного сечения

прутков лопасти дозирующего барабана........... 107

2.7. Определение пропускной способности дозатора-сдабривателя......................... . 114

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЗАТОРА-СДАБРИВАТЕЛЯ.....................116

3.1. Программа исследований....................... 116

3.2. Определение физико-механических

свойств кормов................................118

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований дозатора-сдабривателя............. 124

3.4. Выбор и обоснование критериев

оптимизации..................................127

3.5. Выбор факторов и уровней их

варьирования..................................135

3.6. Анализ результатов экспериментальных исследований................................. 138

4. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ.............149

4.1. Порядок проведения производственных

испытаний....................................149

4.2. Анализ результатов производственных

испытаний....................................152

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛОЖЕННОГО ДОЗАТОРА-СДАБРИВАТЕЛЯ .. 155

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................162

ЛИТЕРАТУРА...................................164

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................173

Приложение 1 - Описание изобретения к патенту

РФ № 2097995 от 10.12.95 г............173

Приложение 2 - Листинг и данные программы расчета процесса дозирования

кормосмеси лопастным барабаном..... 180

Приложение 3 - Акт о внедрении законченной научно-исследовательской, опытно-конструкторской работы в учхозе «Красная звезда» Аткарского района Саратовской области.............................192

ВВЕДЕНИЕ

Главной задачей сельскохозяйственного животноводства является увеличение производства и повышение качества животноводческой продукции. В настоящее время сформировалась тенденция к разукрупнению сельскохозяйственного производства, преобладанию в нем крестьянских и фермерских хозяйств. В этих условиях интенсивные методы повышения производства качественной животноводческой продукции являются наиболее рациональными. Оптимальные результаты достигаются при этом за счет полноценного сбалансированного кормления животных без увеличния поголовья скота и дополнительных затрат на расширение кормовой базы. Корма необходимо приготавливать в таком виде, который обеспечивает легкую усвояемость питательных веществ и использование их организмом животного с максимальной отдачей. Сбалансировать корма и сделать их полноценными можно путем приготовления кормосмесей.

Кормление крупного рогатого скота (КРС) полнорационными рассыпными кормосмесями позволяет экономить 10-15% кормов, повысить продуктивность коров на 5-9%, привесы молодняка - на 11-20% по сравнению с показателями при поочередной раздаче каждого компонента [183. По данным БелНИИЖ [66] переваримость питательных веществ рассыпных кормосмесей на 22% выше, чем гранулированных, и на 9,6% выше, чем брикетированных, а трудоемкость и энергоемкость приготовления рассыпных кормосмесей значительно ниже.

В рассыпные кормосмеси включают большое количество малоценных кормов (солома, низкосортное сено и т.п.). При содержании в рационе до 3 кг таких трудноусвояемых компонентов необходимо сдабривание их различными макро- и микродобавками (соединениями кальция, азота, фосфора, патокой, поваренной солью и др.), что повышает их переваримость, придает мягкость, приятный вкус и запах и приводит

к полной поедаемости их животными.

Все необходимые добавки целесообразно вводить в кормосмеси в виде раствора, что способствует более равномерному распределению добавок в массе корма и позволяет повысить влажность рассыпных кормосмесей до 60-75%, как требуют зоотехнические нормы [64]. Влажные кормовые смеси, обогащенные минерально-витаминными и питательными добавками, позволяют полностью удовлетворить физиологические потребности животных.

При сдабривании рассыпных кормосмесей особое внимание следует уделять точности дозирования жидких добавок, вводимых в смесь, и однородности перемешивания смеси. Согласно зоотехническим нормам погрешность дозирования жидких добавок должна быть в пределах + 5%, а показатель качества однородности перемешивания - не менее 90%, что способствует равномерному распределению добавок в смеси и безопасности скармливания их животным (особенно при использовании токсичных добавок, например, карбамида) [68].

Вследствие вышеизложенных причин для равномерного дозированного введения в рассыпные кормосмеси жидких добавок целесообразно применять специальное оборудование - дозаторы-сдабриватели рассыпных кормосмесей. Вопрос дозированного сдабривания в настоящее время в литературе освещен недостаточно, что в совокупности с возрастающей необходимостью осуществления этого процесса в практическом кормопроизводстве обусловило актуальность исследований процесса дозированного сдабривания рассыпных кормосмесей жидкими добавками, разработки новой конструктивной схемы рационального дозатора-сдаб-ривателя, теоретического обоснования технологических и конструктивных параметров и экспериментальных исследований последнего.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДОЗИРОВАННОГО СДАБРИВАНИЯ КОРМОВ

1.1. Обоснование необходимости сдабривания соломосодержащих рассыпных кормосмесей

Сравнительный анализ применяемых в настоящее время способов приготовления кормов: полнорационные рассыпные измельченные смеси, сухие или увлажненные, с тепловой и химической обработкой отдельных компонентов или без нее, полнорационные смеси в виде гранул или брикетов [2; 5; 9; 15; 18; 28; 37; 39; 71; 79; 91],- показывает, что, учитывая зоотехнические, технологические и экономические факторы, наиболее целесообразно приготовлять влажные измельченные рассыпные кормосмеси на основе обработанной соломы.

На протяжении многих лет солому считали низкопитательным кормом, непригодным для питания высокопродуктивных животных. В 30 -40-е годы корм из соломы занял плановое место в кормовых балансах, вошел в типовые рационы. Сейчас в России из 150 млн. тонн соломы, образующейся в результате производства зерна, ежегодно скармливают животным лишь 50 - 60 млн. тонн [71]. Это связано со сложившимися представлениями о низкой питательной ценности соломы и невысокой усвояемости ее питательных веществ.

Анализ зарубежной информации [15] показывает, что в последние годы использование соломы на корм скоту увеличилось в 1,5 - 2 раза. По данным авторов [37] в соломе содержится 36 - 42% клетчатки, 3-4% протеина, 1-2% жира, 4-6% минеральных солей и 1 - 3 мг каротина. Солома бедна кальцием, фосфором, натрием, но в ней много кремниевой кислоты. Переваримость органических веществ крупным ро-

- 8 -

гатым скотом составляет 40 - 50%.

С целью повышения питательной ценности соломы на практике применяются самые разнообразные приемы подготовки ее к скармливанию: измельчение, запаривание, обваривание, сдабривание и др.

В кормоцехах небольших ферм крупного рогатого скота при приготовлении измельченых рассыпных кормовых смесей наиболее целесообразно применять сдабривание. Этот процесс при наименьших материальных, трудовых и энергетических затратах позволяет значительно повысить поедаемость соломосодержащего корма и одновременно ввести в рацион КРС в составе сдабривающего раствора необходимые добавки: азотсодержащие синтетические соединения, дрожжи, витаминные и минеральные добавки, антибиотики, ферменты, гормональные, ароматические и лекарственные препараты, а также комплексные смеси [21; 25; 28; 30; 45; 55; 60; 69].

В результате сдабривания, как отмечает А.И. Девяткин [18], резка становится мягкой и охотно поедается скотом. Сдабривают солому бардой, патокой, пивной дробиной или горячей 1%-ной соленой водой из расчета 100 - 120 л раствора на 1 ц соломы. Хорошие результаты получают при смешивании соломенной резки с измельченными корнеплодами, силосом, свежим жомом и другими сочными кормами, и дополнительном сдабривании ее водно-паточным раствором мочевины и других веществ.

Сдабривание измельченных кормов питательными растворами позволяет также повысить влажность кормосмеси до 60 - 75%, при этом скорость поедания кормов, по данным НИИ животноводства Лесостепи и Полесья Украины [18], возрастает в два раза.

Одновременно с внесением в патоку мочевины рекомендуется вводить в раствор минеральные добавки, компенсирующие недостачу в рационе тех или иных веществ. Так, в НИИ животноводства Лесостепи и

Полесья Украины (1981 г.) [42] разработан состав жидкой кормовой смеси с минеральными добавками, в которой содержится 86% раствора патоки в воде (1:1), 7% мочевины, 5% диаммонийфосфата и 2% сернокислого натрия. В расчете на 1 кг смеси добавляют 15 мг хлористого кобальта, 75 мг сернокислого цинка и 60 мг сернокислой меди. В 1 кг такой смеси содержится 190 г переваримого протеина и 12 г фосфора.

Учеными США [42] предложена жидкая добавка следующего состава: меласса - 67%, мочевина - 10%, спирт - 6%, фосфорная кислота -3%, минеральные соли и витамины - 4%, вода - 10%.

При отсутствии патоки жидкие кормовые добавки по соответствующему рецепту можно готовить и на воде. Ими, как и водно-паточным раствором, равномерно опрыскивают солому или кормосмеси, приготовленные на ее основе.

По данным исследования [66], скармливание новых кормовых добавок бычкам с 20-суточного до 20-месячного возраста позволяет увеличить продуктивность на 14,5%, повысить качество мяса на 2-3%, обеспечить уровень рентабельности 83,5%; на 14-42% повысить использование производственных мощностей.

Сдабривать и обогащать корма можно различными способами: вводя добавки в смеситель с последующим перемешиванием, распыляя раствор в движущемся потоке корма, подавая раствор в битерные кормораздатчики или орошая корм непосредственно в кормушках. Правильное введение в соломосодержащие измельченные кормовые смеси жидких добавок позволяет повысить надои коров на 7...13% при содержании клетчатки грубых кормов 10...12% от сухого вещества рациона [37].

Необходимо отметить, что важнейшим условием при сдабривании кормов является точное дозирование сдабривающих добавок, вводимых в корм. Эти добавки хорошо используются организмом животных только

при точном соблюдении оптимальных доз. При нарушении этих правил питательные добавки могут нанести ущерб здоровью животных. Так, недостаток азота приводит к снижению переваримости кормов, уменьшению продуктивности коров и снижению качества продукции на 30 -35%, однако избыток азотсодержащих добавок (например, карбамида) приводит к нарушению обменных процессов и воспроизводительной функции коров [25; 31]. Кроме того, при низкой точности дозирования может нарушаться соотношение питательных веществ в рационе, что снижает эффективность использования корма. Поэтому состав сдабривающего раствора должен разрабатываться в строгом соответствии с нормами кормления сельскохозяйственных животных [52; 64; 81], а введение его в кормосмесь должно дозироваться с погрешностью, не превышающей 5%.

Качество приготовления сдабриваемых кормосмесей во многом определяется однородностью распределения сдабривающего раствора в массе корма, которая может быть оценена с помощью степени однородности. Последняя представляет собой отношение содержания контрольного компонента в анализируемой пробе к содержанию того же компонента в рецептурной смеси [56]:

6т - теоретическое среднеквадратическое отклонение контрольного компонента ; 8 - эмпирическое среднеквадратическое отклонение контрольного компонента.

При сдабривании рассыпных кормосмесей питательным раствором, степень однородности должна составлять не менее 0, 8, а при сдабривании раствором карбамида - не менее 0,9 [65].

5

где •& - степень однородности;

Для равномерного дозированного сдабривания рассыпных кормос-месей жидкими добавками в настоящее время применяются различные виды оборудования, которые в дальнейшем для краткости будем называть "дозаторами-сдабривателями".

1.2. Обзор существующих устройств для дозированного

сдабривания кормов

В настоящее время в отечественном кормопроизводстве для дозированного и равномерного внесения сдабривающих добавок в кормовые смеси применяются различные виды оборудования, входящего в состав кормоприготовительных установок и агрегатов. Совмещение технологических операций за счет создания комбинированных машин и агрегатов является перспективным направлением внедрения энергосберегающих технологий в животноводстве и позволяет снизить энергоемкость на 20. . .50% [85].

Кормоприготовительный агрегат АПК-10А (рис. 1.1) позволяет сдабривать кормовые смеси раствором соли, карбамида и мелассы. Агрегат состоит из кормораздатчика-питателя КТУ-10А 1, приемного транспортера АПК-10А 2, распылителя растворов микродобавок 3, дозатора концкормов 4, смесителя микродобавок 5, тарированного крана 6, шнековой мойки-дозатора 7, насосов 8 и 9, отстойника 10, транспортера готовой смеси 11, измельчителя-смесителя 12. Включаемые в кормосмесь добавки в виде раствора дозированно через тарированный кран подаются в измельчитель-смеситель через распылитель, установленный в стенке горловины для подачи корнеклубнеплодов. Агрегат применяется в основном в зонах выращивания кормовой свеклы. Производительность агрегата АПК-10А составляет 5,4...12,0 т/ч [53].

Для дозированного сдабривания измельченных кормов применяются также измельчитель-смеситель ИСК-3 и его модификация ИСК-ЗА, кото-

А 5

Рисунок 1.2 Установка СМ-1,7 для смешивания мелассы с карбамидом

рые агрегатируются с установками для приготовления питательных растворов СМ-1,7; СМК-0,5; ОМК-2 или ОМК-4 и входят в состав поточных технологи