автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование процесса подготовки рулонов сенажа для приготовления кормосмесей

На праваурукописи

ГАЛЬКОВ ВИТАЛИЙ ЮРЬЕВИЧ

совершенствование процесса подготовки рулонов сенажа для приготовления кормосмесеи

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

автореферат 2 з СЕН 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мичуринск - наукоград РФ 2015

005562577

005562577

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СтГАУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Орлянский Александр Викторович

Официальные Фролов Владимир Юрьевич,

оппоненты: доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО

«Кубанский государственный аграрный университет», кафедра «Механизация животноводства и безопасность жизнедеятельности», заведующий

Ведпщев Сергей Михайлович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», кафедра «Агроинженерия», доцент

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное научное

учреждение «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ СКНИИМЭСХ, г. Зерноград)

Защита диссертации состоится 22 октября 2015 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационных советов; тел/факс (47545)9-44-12; e-mail: dissov@mgau.ru.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ и на сайте www.mgau.ru, с авторефератом -на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан « 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Приготовление и раздача кормов на фермах крупного рогатого скота входят в число наиболее трудоемких технологических процессов. По данным ВИЭСХ, при разных базовых технологиях производства этой продукции затраты труда только на раздачу кормов составляют 10,7...12,9 ч на одну корову в год, или 8...13 % от общих затрат труда на производство продукции.

В последние годы в России широкое распространение получает технология заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, которая позволяет заготавливать высококачественные корма в оптимальные агротехнические сроки, в 2,5-3,0 раза снизить общие потери при заготовке и хранении кормов; полностью механизировать технологический процесс от кошения трав до раздачи корма животным.

Но заготовка качественного сенажа в рулонах повышенной плотности предъявляет дополнительные требования к раздаче этого корма животным. Производительность измельчителей-смесителей-раздатчиков кормов (ИСРК) значительно снижается в основном из-за сложности разделения рабочими органами верхних плотных и связных слоев рулона.

В этой связи актуально обоснование эффективных технологических схем и технических средств механизации процесса подготовки к скармливанию сенажа, спрессованного в рулоны повышенной плотности, для последующего эффективного измельчения его, смешивания с другими кормами и раздачи животным.

Степень разработанности темы. Проблеме повышения эффективности процессов приготовления и раздачи кормов на фермах, разработке теоретических основ проектирования технологических линий, машин и оборудования кормоцехов посвятили свои исследования ученые: C.B. Брагинц, Б.И. Вагин, С.М. Ведищев, А.Ф. Галкин, В.А. Голиков, A.B. Демин, И.А. Долгов, А.И. Завражнов, Л.П. Карташов, Л.П. Кормановский, И.Н. Краснов, Л.И. Кропп, C.B. Мельников, В.И. Особов, И.Н. Павлов, В .И. Пахомов, A.M. Семенихин, С.К. Филатов, В.Ю. Фролов, A.B. Яковлев и др. Выполненные ими исследования внесли существенный вклад в совершенствование технологии и технических средств для подготовки и раздачи стебельных кормов сельскохозяйственным животным, в том числе и в составе кормосмесей. Однако остаются нерешенными вопросы, связанные с усовершенствованием технологии подготовки к скармливанию рулонов сенажа повышенной плотности и научным обоснованием конструкции и технологических параметров компактного технического средства, обеспечивающего повышение производительности труда на подготовке и раздаче корма.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ на 2011-2015 гг. раздел 1.4.43 «Разработать и адаптировать к реальным условиям прошводства технологии и технические средства заготовки и раздачи кормов, обеспечивающие повышение качества и эффективности использования кормов и снижение себестоимости животноводческой продукции».

Цель работы — повышение эффективности технологического процесса подготовки к скармливанию в составе кормосмесей сенажа из рулонов повышенной плотности путём разработки устройства для предварительного разрезания рулонов.

Задачи исследовании:

— провести анализ технологических схем и технических средств приготовления кормосмесей, включающих сенаж из рулонов повышенной плотности и обосновать способ повышения эффективности подготовки рулонов сенажа к скармливанию;

— теоретически и экспериментально исследовать закономерности изменения плотности сенажа по слоям в рулонах, упакованных в пленку;

— обосновать конструктивные и технологические параметры устройства для предварительного разрезания рулонов сенажа;

— провести производственную проверку усовершенствованного процесса подготовки к скармливанию сенажа из рулонов с устройством для их предварительного разрезания;

— оценить экономическую эффективность применения устройства для предварительного разрезания рулонов сенажа в усовершенствованной технологии подготовки к скармливанию сенажа.

Объект исследований — технологический процесс подготовки рулонов сенажа повышенной плотности к скармливанию.

Предмет исследований — закономерности взаимодействия устройства для разрезания рулонов с кормовым массивом и влияния его на эффективность приготовления и раздачи стебельных кормов из рулонов повышенной плотности.

Методология и методы исследований включали: теоретический анализ взаимодействия режущего элемента с кормовым массивом в рулоне сенажа при скользящем резании; экспериментальные исследования по установлению необходимой глубины разрезания рулона сенажа, упакованного в пленку, перед раздачей его животным; лабораторные исследования по обоснованию конструктивно-технологических параметров разработанного устройства для разрезания рулонов; проверку результатов исследований в производственных условиях и их экономическую оценку.

Теоретические исследования проводились с использованием методов математики, теоретической механики и физики. Лабораторные исследования были выполнены по плану многофакторного эксперимента и проводились с использованием сертифицированных приборов и программного обеспечения. При обработке экспериментальных данных применялись методы математической статистики и теории вероятностей с использованием программ Microsoft Excel и Statistica.

Научную новизну работы составляют:

— усовершенствованная технология подготовки рулонов сенажа к скармливанию в составе кормосмесей с устройством для разрезания рулонов сенажа повышенной плотности;

— результаты исследования послойного распределения плотности сенажа в рулонах;

— уточненные значения физико-механических свойств сенажа в рулонах повышенной плотности, влияющих на энергоемкость процесса резания;

— результаты экспериментальных исследований удельной работы сил резания и производственных испытаний устройства для разрезания рулонов сенажа

Научная новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена патентами Российской Федерации на полезные модели №63168 и №75534.

Теоретическая и практическая значимость работы. Определена зависимость доли отделяемого объема и массы рулона от глубины резания. Обоснованы конструктивные параметры устройства, обеспечивающие необходимую глубину предварительного разрезания рулона сенажа. Усовершенствованная технологическая схема подготовки рулонов сенажа повышенной плотности к скармливанию и разработанное устройство для предварительного разрезания рулонов обеспечивают повышение производительности труда и снижение себестоимости выполнения работ на подготовке и раздаче корма животным.

Применение разрезающего устройства позволит снизить энергозатраты на подготовку и раздачу кормосмесей на 12,3 % и уменьшить удельные прямые эксплуатационные затраты на 11,5 %.

Положения, выносимые на защиту:

— модель послойного распределения плотности в рулонах стебельных кормов;

— уточненная модель резания стебельных кормов, учитывающая особенности физико-механических свойств сенажа в рулонах - повышенную плотность корма и его влажность;

— усовершенствованная стру ктура технологического процесса приготовления и раздачи многокомпонентных кормов с использованием в рационе сенажа из рулонов повышенной плотности;

— конструктивно-технологические параметры устройства для разрезания рулонов сенажа;

— результаты производственных испытаний и технико-экономической оценки применения усовершенствованной технологической схемы подготовки к скармливанию рулонов сенажа повышенной плотности и предложенного устройства для предварительного разрезания рулонов сенажа перед раздачей их животным.

Степень достоверности и апробация результатов исследований.

Степень достоверности научных положений подтверждается положительными результатами производственных исследований устройства для разрезания рулонов сенажа; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; использованием современной контрольно-измерительной и вычислительной техники.

Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях в

рамках агропромышленной выставки «Агроуниверсал» (г. Ставрополь -2011, 2012, 2015 гг.); на Всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора И.Д. Тменова (г. Владикавказ, 2010 г.); на VI Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» (г. Ставрополь, 2011 г.).

Реализация результатов работы. Результаты научно-исследовательской работы по совершенствованию технологии раздачи стебельных кормов из рулонов повышенной плотности внедрены в сельскохозяйственных организациях Ставропольского края.

Усовершенствованная технология с устройством для предварительного разрезания рулонов используется при кормлении коров в условиях базового предприятия — СХ племколхоза «Россия» Новоалександровского района Ставропольского края.

Разработанный метод анализа силовых характеристик процесса резания сено-соломистых материалов с изменяемыми исследуемыми параметрами используются в учебном процессе факультета механизации ФГБОУ ВПО СтГАУ при подготовке и повышении квалификации инженерно-технических кадров предприятий АПК.

Результаты исследований реализованы в разработке научно-методических рекомендаций, выполненных в рамках государственного контракта с Министерством сельского хозяйства Ставропольского края № 171/12.

Публикация по теме диссертации. По результатам исследований опубликовано 14 работ, в том числе 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на полезную модель. Общий объем публикаций составил 2,02 п. л., из которых 1,53 п. л. принадлежит лично автору.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 54 рисунка, б таблиц и 25 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, степень ее разработанности, цели и задачи, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследования, положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе «Состояние вопроса. Цели и задачи исследований» представлен анализ технологических схем и технических средств для приготовления и раздачи животным кормосмесей, включающих стебельные корма из рулонов.

Исследованию эффективности процессов приготовления и раздачи кормов на фермах, разработке теоретических основ проектирования технологических линий, машин и оборудования кормоцехов посвящены труды многих известных ученых: C.B. Брагинца, Б.И. Вагина, С.М. Ведищева,

А.Ф. Галкина, В.А. Голикова, A.B. Демина, И.А. Долгова, А.И. Завражнова, Л.П. Карташова, Л.П. Кормановского, И.Н. Краснова, Л.И. Кропп, C.B. Мельникова, В.И. Особова, И.Н. Павлова, В.И. Пахомова, A.M. Семенихина, С.К. Филатова, В.Ю. Фролова, A.B. Яковлева и др. Также решению данной проблемы посвящены работы коллективов ведущих научно-исследовательских организации и вузов ВИМ, ГОСНИТИ, РОСИНФОРМ-АГРОТЕХ, МГАУ, СПбГАУ, КубГАУ, СГАУ, ТГТУ, ГорГАУ, СтГАУ, ОрелГАУ, АЧГАА, КБСХА, БелСХА и др.

Основоположником теории резания сельскохозяйственных материалов является академик В.П. Горячкин. Технологические основы скользящего резания разработаны академиком В.А. Желиговским. Н.Е. Резником получена модель силового взаимодействия лезвия с кормовым массивом и выведено уравнение для определения критического усилия резания.

Однако остаются нерешенными вопросы, связанные с усовершенствованием структуры технологического процесса подготовки к скармливанию рулонов сенажа повышенной плотности и научным обоснованием конструкции и технологических параметров простого, эффективного технического средства для разрезания рулонов, обеспечивающего повышение производительности труда на подготовке и раздаче корма животным.

Рабочая гипотеза состоит в предположении, что предварительное разрезание рулона сенажа, упакованного в пленку, перед скармливанием животным обеспечит повышение производительности труда и снижение себестоимости работ на приготовлении и раздаче корма животным.

Во второй главе «Теоретические предпосылки исследования процесса

подготовки рулонов стебельных кормов к скармливанию» рассмотрена структура технологического процесса приготовления и раздачи кормосмесей, включающих сенаж из рулонов, упакованных в пленку; обоснована рациональная схема движения погрузчика при загрузке рулонов сенажа из штабеля в ИСРК; исследовано распределение плотности материала в кормовом массиве по слоям рулона; обоснована конструктивно-технологическая схема устройства для предварительного разрезания рулонов сенажа и взаимодействия режущего элемента с кормовым массивом сенажа в рулоне.

Для оценки эффективности процесса приготовления и раздачи многокомпонентных кормовых смесей, включающих сенаж из рулонов, упакованных в пленку, разработан алгоритм

Рисунок 1 - Алгоритм процесса приготовления и раздачи многокомпонентных кормосмесей для КРС

процесса, описывающий базовый вариант технологии и предлагаемую технологическую схему, включающую дополнительную операцию предварительного разрезания рулона перед скармливанием животным (рис. 1). Производительность ИСРК Wиа'К (т/ч) определяется с учетом массы одной порции кор-мосмеси GK (кг) и продолжительности цикла Тц (с) ее подготовки и раздачи животным и определяется по формуле

W„cpk=3,6-GJT4. (1)

В общем виде продолжительность технологического цикла приготовления и раздачи одной порции кормосмеси агрегатом в составе трактора и ИСРК имеет вид

_ * nk V ■ пк

ifi ~ / .. -1 ^ ><>Т i ^ / J. -1 *( ^ tpaid* (2)

где tnep i — продолжительность переезда к хранилищу /-того компонента кормосмеси; , — продолжительность загрузки /-того компонента кормосмеси в бункер ИСРК; пк — количество компонентов в кормосмеси.

Для заданного рациона продолжительность технологического цикла приготовления и раздачи одной порции кормосмеси составляет

Тц = + t„сс + + '„„а + t„pív + + + '„„„„ + f„rpc„„ + + ímr4, + tpold. (3)

Загрузка сенажа в рулонах имеет свои особенности, поскольку рулон обвязан шпагатом и обмотан полиэтиленовой пленкой. Перед загрузкой его в ИСРК необходимо удалить упаковочный материал. Продолжительность подготовки и загрузки рулона сенажа в ИСРК при отсутствии предварительного разрезания рулона (по существующей технологии) согласно алгоритму процесса определяется выражением

^захв.р I' ^ paipyn ^yiíyn ^ юхв.р.б.уп ^¡гИСРК'

При существующей технологии переезд агрегата от места загрузки рулона сенажа к месту загрузки следующего компонента занимает меньше времени, чем необходимо для разрушения рулона, и до загрузки следующего компонента значительная часть времени цикла уходит на ожидание распада структуры рулона в ИСРК.

Предлагаемая технологическая схема подготовки и загрузки рулона сенажа в ИСРК вместо ручной операции разрезания упаковки включает операцию предварительного разрезания рулона вместе с упаковкой разработанным нами устройством и продолжительность загрузки рулона определяется выражением

Кгсж ~ ^захн р ^¡оп.р + 'разрр ^захвр Пуп (5)

Применение дополнительной операции предварительного разрезания рулона сенажа в процессе подготовки его к скармливанию уменьшает продолжительность разрушения рулона в ИСРК и сокращает время цикла от загрузки до раздачи кормосмеси. Оценка повышения производительности ИСРК от применения предложенного устройства осуществляется на основе хронометражных наблюдений за всеми операциями технологического цикла в условиях реального производства и последующего сравнения результатов по существующей и предлагаемой технологическим схемам.

шщ

Длительность переездов погрузчика при погрузке рулонов сенажа в ИСРК складывается из времени захвата рулона сенажа из штабеля, подъезда, разрезания, удаления упаковочного материала и загрузки рулона.

Продолжительность переездов зависит от расстояния переезда и скорости движения погрузчика. Для конкретных производственных условий, обусловленных возможным наличием рядом с хранилищем рулонов ограждений и строений, возможностью подъезда и маневра, необходимо выбрать оптимальную схему, которая позволяет свести к минимуму путь и продолжительность выполнения операций перемещения рулона от забора из штабеля до загрузки его в ИСРК.

Разрезание верхних слоев рулона является главной операцией предварительной подготовки рулона при приготовлении кормосмеси. Все остальные

операции технологического процесса являются вспомогательными.

Из механики сплошных сред известно, что возмущение, вызванное в некоторой точке упруго-вязкой среды, затухает по мере удаления от этой точки.

В процессе формирования рулона давление сжатия прикладывается к его внешней стороне, поэтому приращение плотности корма в рулоне уменьшается по мере удаления от внешних слоев к внутренним. При работе рулонного пресс-подборщика стебли прессованных растений ориентированы преимущественно по окружностям поперечного сечения рулона, параллельно его торцевой поверхности.

Поэтому можно предположить, что разрезание рулона на определенную глубину по всей его длине позволит с наименьшими затратами энергии отделить от рулона внешний слой массы толщиной Л/г, равной глубине резания (рис. 2).

Объем рулона цилиндрической формы определяется по формуле

У=л-г2-Ь, (6)

где г - радиус рулона, м; Ь — длина рулона, м.

Объем рулона К/ после отделения верхнего слоя толщиной А/г (рис. 2):

V, =к(г-Ыг)2-Ь. (7)

Изменение объема определяем по следующему выражению:

А У-Г-Ъ. (8)

Доля отделяемого объема рулона после его разрезания к исходному объему рулона в процентном отношении:

Рисунок 2 - Схема геометрических параметров рулона

о й! 4? из & ©Г 06 0.7 не а я Рисунок 3 - График зависимости доли отделяемого объема рулона от глубины резания

AV V

2 г ■ A h - А /г

100%.

(9)

Анализ графика (рис. 3) изменения доли отделяемого объема рулона после- его разрезания от исходного объема рулона в зависимости от глубины резания показывает, что при глубине резания 0,22...0,35 м отделяется 2/3 объема рулона. Масса отделяемой части при известной объемной / / г1 плотности р вычисляется с помощью тройного интеграла

т = Ц]"р(х; у; г)сЬс ■ ¿у • ¿¿г. ^ 0)

V

Учитывая неоднородную плотность рулона, для определения количества отделяемой массы рулона при различной глубине разрезания необходимо экспериментально установить зависимость р=/(Я) послойного распределения плотности корма в рулоне.

Для предварительного разрезания

рулонов сенажа повышенной плотности разработано устройство, которое обеспечивает повышение производительности труда и снижение энергоемкости процесса подготовки их к скармливанию за счет нарушения целостности верхних, наиболее плотных и связных, слоев рулона и новизна устройства подтверждена патентами 1Ш 63168 и

■е

/

я.

1 — нож; 2 — лезвие; 3 — полотно; 4 — винт; 5 — шарнир; 6—раскос; 7 — направляющие; 8 — поперечина; 9 — косынки; 10 — боковые грани; 11 -упор; 12 — грунт; 13 — паз; 14 —планка; 15 —болт; 16 —транспортная серьга Рисунок 4 - Устройство для предварительного разрезания рулонов

RU 75534 (рис. 4).

Основой теоретических исследований процесса взаимодействия режущего элемента с кормовым массивом принята теория резания лезвием, разработанная профессором Н.Е. Резником.

При разрезании рулонов сенажа, упакованного в пленку, силы, препятствующие процессу резания и перемещению рулона по направляющим (рис. 5), определяются согласно выражению

F = F +F.„+F*+F'P+F',+F'2 + F", (И)

спр рез сж обж тр то ,пр ' V /

где Fpe3 — сила сопротивления резанию, сосредоточенная на кромке лезвия, Н; FCJIC — сопротивление слоя сжатию фаской лезвия, Н; F^o6oK. — сила обжатия фаски лезвия, Н; F^mp — сила трения на фаске лезвия под действием силы обжатия фаски, Н; F*'„Лж, F'2,„-гж - силы обжатия боковых граней ножа разрезаемым слоем материала, Н; F*'тр, F"2Щ1 - силы трения на боковых гранях ножа, возникающие под действием сил обжатия граней, Н; F„P1¡, F„óp¡2 - силы давления рулона сенажа и захвата на направляющие разрезающего устройст-

ва, Н; F'„,p - силы трения поверхности рулона сенажа по направляющим разрезающего устройства, Н.

В результате подстановки всех значений получим выражение, определяющее величину сопротивления резанию и перемещению по направляющим рулона сенажа, упакованного в пленку, в общем виде:

Е • h^ ' I

Fcp = s ■ ■ К ■ COST I 7 " • [(tgP + Ц + fl ■ f ■ cos/3 • sinr) • COST + fi ■ f ■ sin 1-1 +

P" (12)

+ ■ tg(r-*>))]• III (r + r„)/c,

где <5 - толщина лезвия, м; а„ - разрушающее контактное напряжение на кромке лезвия ножа. Па; /„ - длина ножа, м; т - угол наклона ножа (угол резания), град; Е - модуль Юнга, НУм2; /л - коэффициент Пуассона; hpes - толщина перерезаемого слоя (глубина резания) рулона, м; Исж — величина предварительного сжатия материала, м;/— коэффициент трения материал о лезвие; /? — угол заточки, град; с - высота треугольника, соединяющего центры рулона и направляющих, м.

В зависимости от установки ножа по отношению к разрезаемому рулону сенажа меняется длина активной части лезвия, участвующая в процессе резания. Длину лезвия ножа /„ определяем согласно схеме (рис. 5).

Длину ножа /, в зависимости от угла наклона т, получим:

sinr' (13)

где h,m:l - глубина резания рулона, м.

Согласно модели взаимодействия режущего элемента с кормовым массивом (в рулоне сенажа) удельная работа сил резания представлена выражением

Рисунок 5 — Схема взаимодействия ножа с рулоном сенажа

4 =F ■

а уд ' спр

(14)

где А

уд

удельная работа резания,

Дж/м"; ЬГУЛ - длина образующей рулона (длина резания), м; ~ площадь резания, м2.

Площадь резания:

Sрез ~ Lpyn -hpe3, (15)

где hpe3 = lH • sin г, (16)

где l„ — активная часть ножа, участвующая в резании, м.

Подставляя все значения, получим значение удельной работы резания:

S ■ а„ l„ -cosrH-

E-KL-l.

2-й.

X [(fg/? + fl + fl- f ■ cos/? - sinr)' COST + /и- f -sinr] +

.yg-Fr.-tgb-qftlfZ-ir + r.yc

II, - sin

г * (17)

Коэффициент трения/материала о боковую поверхность ножа зависит от физико-механических свойств материала (влажности IV и плотности р). Эта зависимость / =/(№, р) требует экспериментального уточнения с учетом особенностей физико-механических свойств сенажа.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований и анализ» изложены методики экспериментальных исследований физико-механических свойств сенажа в рулонах, упакованных в пленку; определения коэффициента трения кормового массива по стали; определения энергоемкости процесса резания кормового массива; обоснования необходимой глубины предварительного разрезания рулона сенажа, упакованного в пленку, перед раздачей его животным: планирования и обработки данных лабораторных экспериментов и производственных испытаний технологии и устройства для предварительного разрезания рулонов.

Плотность корма в слоях рулона определяли путем изъятия из исследуемого рулона сенажа порций определенного объема. При этом использовали специально разработанный пробоотборник с буром.

Резание стебельных кормов в рулоне сопровождается трением режущего элемента о корм, вызывая дополнительные затраты энергии на его преодоление. Для изучения влияния плотности и влажности сенажа на величину коэффициента трения покоя и уточнения параметров выражения (17) использовался прибор «наклонная плоскость» с размещенной на нем стальной пла-, - стиной. В качестве исследуемых

образцов использовался сенаж из люцерны. Для получения статистической устойчивости полученных результатов определение коэффициента трения покоя проводилось в трехкратной повторное™ для каждого уровня влажности (И" ~ 40 %; Ж ~ 50 %; ¡V-60 %).

Исследования энергоемкости процесса резания кормового массива осуществлялись на базе созданной лабораторной установки для определения удельных сил резания (рис. 6).

Разработанная установка позволяет определять силовые и энергетические параметры процесса резания стебельных кормов различной влажности с регулируемой плотностью материала при разных скоростях и углах резания. Исследования проводились по 3-уровневому плану проведения экспериментов Бокса — Бенкина для трех факторов. Для обоснования необходимой глубины резания рулонов перед раздачей их животным и конст-

т

\

/

Шй|

г

7 -

в®*

1 — рама; 2 — станина; 3 — подвижная рамка;

4 — камера; 5 — прессовальная крышка; б —нож; 7—размеченная плита; 8-тензо-метрический датчик; 9 — трос; 10 — приводная

станция; II- частотный преобразователь Рисунок 6 — Лабораторная установка для определения усилий резания

рукции простого устройства для разрезания рулонов проведены экспериментальные исследования в производственных условиях. Рулоны сенажа перед загрузкой в ИСРК предварительно разрезались пилой на глубину соответственно 1/3 радиуса (230 мм), 2/3 радиуса (460 мм) и целого радиуса (690 мм) с одной стороны цилиндра и с двух сторон. После разрезания рулоны погружались в бункер ИСРК и измельчались.

В ходе эксперимента фиксировалась продолжительность периода от загрузки до полного разрыхления рулона (отсутствия спрессованного материала в бункере ИСРК). Для оценки размерного состава частиц корма отбирались пробы из бункера через 2, 4, 6 и 8 мин. В каждой пробе определялась массовая доля частиц длиной до 5 см, 5... 10 см, 10.. .20 см и свыше 20 см.

В качестве базового варианта для сравнения принято измельчение рулона в ИСРК без его предварительного разрезания.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований была

обоснована конструкция и спроектирован опытный образец устройства для разрезания рулонов сенажа повышенной плотности (рис. 7).

Производственные исследования образца включали определение составляющих времени цикла на выполнении операций подготовки и раздачи кормосмеси, включающей сенаж в рулонах, с дополнительной операцией предварительного разрезания рулонов и без нее и определение силовых характеристик процесса разрезания рулонов сенажа, упакованных в пленку.

Для обработки данных, полученных при исследованиях, и анализа результатов использовались программы Microsoft Excel и Statistica.

в четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний и их анализ» представлены результаты экспериментальных исследований, проведен их анализ в соответствии с разработанной методикой исследования; рассмотрены результаты лабораторных и производственных испытаний резчика рулонов сенажа.

Проведенные экспериментальные исследования плотности сенажа в различных слоях рулона позволили выявить закономерности послойного распределения этого показателя в рулоне при различной влажности корма. Обработка экспериментальных данных показала, что эта зависимость носит линейный характер с высоким коэффициентом корреляции (г = —0,980... -0,985).

Для сенажа влажностью W= 48 %, W = 52 % и IV = 58 % эти зависимости имеют вид:

Рсап =114,3 + 181,4 г, (18)

РСВ52 = 113,5 + 161,1 -г, (19)

Рся„ =116,4 + 174,6 г. (20)

а/1 -Г

Рисунок 7 - Устройство для разрезания рулонов сенажа

Анализируя графики полученных зависимостей (рис. 8), следует отметить, что в исследуемом диапазоне влажности корма, плотность практически одинаковая во всех трех вариантах.

После подстановки экспериментальных данных изменения плотности в рулоне уточнена теоретическая зависимость изменения отделяемой массы корма от общего массива в зависимости от глубины резания рулона.

Выражение (10) в цилиндрических координатах примет вид т ■■

Si

................. : ••- ! ¿се*

" : ! :

п центра рулона- г.

Рисунок 8 — График изменения плотности сенажа от центра к периферии

[[[(113,5 +161,0 • г) ■ г dr ■ dy ■ dz, (21)

Y

где J= г— определитель Якоби (Якобиан преобразования).

зг

2 0,7 L

m = \\dy■ J(113,5 +16 Wr)rdr ■ jdz = 2я1(178A -179A2 + 54A3), (22)

0 0,7-й 0

При типичной длине рулона сенажа L = 1,2 м получим m = 1 194,ЗА- 169,6А1 + 57,ЗА3. (23) Из полученной зависимости (рис. 9) можно сделать заключение, что при резании на глубину h = 0,3 м отделяется 72,6 % массы рулона.

По результатам эксперимента по обоснованию необходимой глубины разрезания рулонов перед раздачей их животным построен график продолжительности разрушения рулона от глубины его резания с одной и с двух сторон (рис. 10).

Полученный график позволяет сделать вывод о том, что предварительное разрезание рулона на глубину 0,25...0,30 м существенно сокращает время на последующее его разрушение в ИСРК (с 11,5 мин до 4,0...4,5 мин). Дальнейшее увеличение глубины предварительного разрезания рулона несущественно влияет на скорость его разрушения. Практически не повышает скорость разрушения рулона и увеличение количества разрезов с одного до двух.

Рисунок массы(кг

9 - Зависимость отделяемой сухого вещества) от глубины резания рулона (м)

\\ ! \

: > ! ! \ 1 ! t -Ч s W

! ! *\ !

i 1 \J " j..........¡Д..........

: ( i 1 ■—

! I I i I !

Рисунок тельности ны его

10 - Зависимость продолжи-разрушения рулона от глуби-предварительного резания

. мяк. ^

ч ' ' /

.......

! % . Ч. ^ | .....-! • -V

Рисунок 11 — Динамика изменения массовой доли частиц корма длиной менее 10 см и более 20 см

В ходе исследования динамики последующего после разрушения рулона измельчения сенажа выявили изменение во времени массовой доли частиц принятых размерных классов. Анализ результатов исследования графика позволяет сделать вывод о том, что после полного разрушения структуры рулона динамика массовых долей частиц с размерами до 10 см и более 20 см во всех исследуемых вариантах, независимо от глубины предварительного разрезания рулона, оказалась близкой к базовому варианту (рис. 11).

Таким образом, эффект от предварительного разрезания рулона сенажа имеет место на первой стадии измельчения корма — при разрушении его структуры — и не оказывает существенного влияния на интенсивность второй стадии — непосредственного измельчения листо-стебельной массы.

На силовые характеристики процесса резания стебельных кормов существенное влияние оказывает трение корма о поверхность ножа. Для уточнения теоретической зависимости сил резания ножом кормового массива сенажа от физико-механических свойств корма определены коэффициенты трения корма по стальному ножу при различной плотности и влажности сенажа.

По полученным данным определена зависимость коэффициента трения от влажности и плотности кормовой массы:

/ =0,54+0, 003 ^-0,00044- ра, (24)

где Ч' — влажность сенажа, %; р1в — плотность сенажа в пересчете на сухое вещество, кг/м3.

Проведенные на созданной нами установке (рис. 6) экспериментальные исследования позволили определить энергетические параметры процесса резания кормового массива сенажа из рулонов влажностью от 40 до 60 % и плотностью материала 120... 180 кг/м3(в пересчете на сухое вещество) при углах резания от 25° до 55° и скоростях резания 0,2.. .0,4 м/с.

В соответствии с установленными критериями оптимизации при проведении многофакторного эксперимента получена адекватная математическая модель второго порядка для определения удельной работы сил резания массы сенажа при влажностях IV = 41,2 %; 1¥= 48,3 %нШ= 60,1 %.

^УД 41,2

= 27,66 - 0.255 • рсв - 0,276 • т - 0,002 ■ р„ • т + 0,001 • + 0,007 ■ хг,

4™« з = 9,12 ■- 0,077 ■ р„ + 0,061 ■ т - 0,003 • рсе ■ т+0,001 ■ р;„ + 0,004 • т2,

лудт 1 = 19,21 -0,088-рсв-0,143 -т-0,002 -ра

•т + 0,001-р;в+0,004-т2.

(25)

(26) (27)

На основании полученных регрессионных зависимостей построены поверхности отклика и изолинии функции удельной работы сил резания массы сенажа при различных влажностях, которые приведены на рисунке 12.

Анализ приведенных графиков (рис. 12) позволяет сделать вывод о том, что в диапазоне влажности сенажа 40...60 % наибольшую энергетическую эффективность обеспечивает резание рулона сенажа с установкой угла наклона ножа 37°...43° к образующей цилиндрической поверхности рулона.

ка 1'

га 'в ш >5

а) б)

Рисунок 12 - Поверхности и изолинии функции удельной работы резания в зависимости от плотности и угла резания: а) влажность сенажа IV- 41,2 %; 6) влажность сенажа Ц' = 60,1 % Для оценки эффективности предлагаемой технологической схемы подготовки рулонов сенажа к скармливанию нами на базе СХ племколхоза «Россия» Новоалександровского района Ставропольского края проведены

хрономегражные наблюдения и определены продолжительность технологического цикла загрузки, измельчения, смешивания и раздачи кормосмесей по существующей и предлагаемой технологическим схемам (рис. 13).

В основе уменьшения продолжительности технологического цикла лежит сокращение времени на подготовку рулонов сенажа к измельчению.

Применение дополнительной операции предварительного разрезания рулона в технологическом процессе приготовления и раздачи полнорационной кормо-смеси, включающей сенаж в рулонах, в условиях СХ племколхоза «Россия» Новоалександровского района позволило на 4,8 мин сократить время цикла от загрузки до раздачи всех компонентов корма, и повысить производительность ИСРК на 12,1 %.

Традиционная Предлагаемая схема схема

Рисунок 13 - Продолжительность рабочего цикла подготовки и раздачи животным кормосмеси

Испытания опытного образца устройства в производственных условиях, при разрезании рулонов сенажа диаметром 1,4... 1,5 м и длиной 1,2 м на глубину 250...300 мм при различных углах резания 37°. ..43°, составляет 1930. ..6130 Н, что не предъявляет дополнительных прочностных требований к серийным погрузчикам рулонов.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка результатов исследования» представлено, что внедрение технологии предварительной подготовки рулонов сенажа повышенной плотности с применением разрезающего устройства позволяет снизить энергозатраты на подготовку н раздачу кормосмесей на 12,3 % и уменьшить удельные прямые эксплуатационные затраты на 11,5 %.

Годовой экономический эффект от снижения прямых эксплуатационных затрат в расчете на 500 голов обслуживаемого поголовья молочных коров составит 339 053 рублей при сроке окупаемости дополнительных капиталовложений менее месяца.

Заключение

1. Анализ тенденций развития конструкций машин и научного опыта в области механизированной раздачи прессованных кормов позволил разработать конструкцию устройства для предварительного разрезания рулонов сенажа повышенной плотности. Разрезанный рулон сенажа с одной стороны вдоль образующей его цилиндрической поверхности на глубину 250...300 мм легко распадается, что в последующем на 60...80 % сокращает продолжительность измельчения рулона и смешивания сенажной массы с другими компонентами кормосмеси в ИСРК-12.

2. Полученная зависимость распределения плотности сенажа по слоям рулона подтверждает, что при разрезании рулона на глубину 300 мм нарушается целостность наиболее плотных верхних слоев корма, на которые приходится около 70 % массы рулона. Уточненная для сенажа в рулонах зависимость удельной работы сил резания стебельных кормов позволяет учитывать при расчетах технологические особенности корма — его повышенную плотность и влажность в диапазоне 40...60 %.

3. Для предварительного разрезания рулона сенажа повышенной плотности диаметром 1,4... 1,5 м и длиной 1,2 м необходимо использовать устройство с ножом длиной 0,42...0,47 м, имеющим угол резания в пределах 37°...43°, обеспечивающий минимальные удельные затраты энергии. Сопротивление резанию составляет 1930...6130 Н, что не предъявляет дополнительных прочностных требований к серийным погрузчикам рулонов.

4. Общая продолжительность технологического цикла от начала загрузки рулонов сенажа и других компонентов рациона в ИСРК до завершения раздачи корма в технологической схеме с предварительным разрезанием рулона составляет 35,5 мин, что на 4,8 мин меньше, чем при базовой технологии (40,3 мин). Сменная производительность ИСРК возрастает на 12,1 %.

5. Внедрение технологии предварительной подготовки рулонов сенажа повышенной плотности с применение разрезающего устройства позволяет снизить энергозатраты на подготовку и раздачу кормосмесей на 12,3 % и уменьшить удельные прямые эксплуатационные затраты на 11,5 %.

Годовой экономический эффект от снижения прямых эксплуатационных затрат в расчете на 500 голов обслуживаемого поголовья молочных коров в условиях базового предприятия — СХ племколхоза «Россия» Новоалександровского района Ставропольского края — на приготовлении и раздаче 7850 т кормо-смесей, включающих 1805 т сенажа в рулонах, составил 339 053 рублей при сроке окупаемости дополнительных капиталовложений менее месяца.

Рекомендации производству

На основании теоретических и экспериментальных исследований определены оптимальные параметры процесса разрезания рулона сенажа, упакованного в пленку. Установлено что при разрезании верхних слоев рулона с одной стороны вдоль его образующей на глубину 250...300 мм сокращает продолжительность измельчения и смешивания рулона в ИСРК с другими компонентами на 60...80 % и повышает его производительность на 12,1%.

Перспективы дальнейшей разработки темы

Разработать для малых фермерских хозяйств рекомендации по совершенствованию технологического процесса приготовления и раздачи корма животным с использованием простой и недорогой конструкции разрезающего устройства. Усовершенствовать устройство для разрезания рулонов сенажа, упакованных в пленку. Разработать дополнительное разрезающее устройство, установленное на верхней части бункера ИСРК, осуществляющего разрезание рулона при его загрузке в бункер с возможностью одновременного удаления упаковочного материала.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Орлянский, A.B. Повышение эффективности процесса измельчения рулонов сенажа в измельчителях-смесителях кормов [Текст] / A.B. Орлянский, В.Ю. Галь-ков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2007. — № 7. — С. 10— 11.-0,1 п. л.

2. Орлянский, A.B. Интенсификация измельчения рулонов сенажа повышенной плотности [Текст] / A.B. Орлянский, А.Н. Петенёв, В.Ю. Гальков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2010. — № 1, —С. 15-16.-0,1 п. л.

3. Гальков, В JO. Установка для исследования параметров процесса разрезания сенажа повышенной плотности [Текст] / В.Ю. Гальков // Техника в сельском хозяйстве. -2011.-№ 6.-С. 11-13.-0,1 п. л.

4. Гальков, В.Ю. Устройство для разрезания рулона [Текст] / В.Ю. Гальков, A.B. Орлянский, А.Н. Петенёв // Сельский механизатор. - 2013. - № 7. — С. 7. — 0,1 п. л.

Патенты РФ:

5. Пат. 63168 Российская Федерация, МГХК51 A01F 29/00. Устройство для разрезания рулонов повышенной плотности [Текст] / Орлянский A.B., Гальков В.Ю., Петенёв А.Н. [и др.]. - № 2007100989/22 ; заявл. 09.01.2007 ; опубл. 09.01.2007, Бюл. № 15. — 9 с.: ил.

6. Пат. 75534 Российская Федерация, МПК51 A01F 29/00. Устройство для разрезания рулонов [Текст] / Трухачев В.И., Орлянский A.B., Гальков В.Ю. [и др.]. - № 2007101927/22 ; заявл. 18.01.2007 ; опубл. 20.08.2008, Бюл. № 23. -9 с.: ил.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций:

7. Орлянский, A.B. Конструктивно-технологическая схема устройства для предварительного разрезания рулонов сенажа [Текст] / A.B. Орлянский, А.Н. Пете-нёв, В.Ю. Гальков // Труды Всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», посвященной 80-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки РФ, профессора И.Д. Тменова. — Владикавказ, 2010. — С. 61-62.-0,1 п. л.

8. Гальков, В.Ю. Производственные испытания устройства для разрезания рулонов сенажа повышенной плотности [Текст] / В.Ю. Гальков, A.B. Орлянский,

A.Н. Петенёв, В.И. Антонов // Актуальные проблемы научно-технического процесса в АПК : сборник научных статей по материалам VI Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2011» / СтГАУ. — Ставрополь : АГРУС, 2011.-С. 56-59.-0,19 п. л.

9. Гальков, В.Ю. Анализ времени технологического цикла приготовления и раздачи многокомпонентных кормовых смесей, включающих сенаж в рулонах [Текст] / В.Ю. Гальков, A.B. Орлянский, А.Н. Петенёв // Актуальные проблемы научно-технического процесса в АПК : сборник научных статей по материалам VI Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2012» / СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2013. - С. 65-68. - 0,19 п. л.

10. Гальков, В.Ю. Исследование распределения плотности сенажа в рулоне [Текст] / В.Ю. Гальков, A.B. Орлянский, И.А. Орлянская // Актуальные проблемы научно-технического процесса в АПК : сборник научных статей по материалам VI Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2012» / СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2013. - С. 232-236.-0,25 п. л.

11. Гальков, В.Ю. Помощник фермеру [Текст] / В.Ю. Гальков, A.B. Орлянский, А.Н. Петенёв, И.А. Орлянская // Сборник научных трудов Sworld. - Украина, 2014. - Т. 9, № 3. - С. 70-73.-0,19 п. л.

12. Гальков, В.Ю. Моделирование процесса раздачи сельскохозяйственным животным рулонов сенажа в составе многокомпонентных рационов [Текст] /

B.Ю. Гальков, A.B. Орлянский, И.А. Орлянская, А.Н. Петенёв // Сборник научных трудов Sworld.-Украина, 2014.-Т. 10, № 3.-С. 66-71.-0,32 п. л.

13. Гальков, В.Ю. Подход к обоснованию глубины прорезания рулона сенажа, необходимой для нарушения его целостности [Текст] / В.Ю. Гальков, A.B. Орлянский, А.Н. Петенёв // Актуальные проблемы научно-технического процесса в АПК: сборник научных статей по материалам VIII Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2015» / СтГАУ. — Ставрополь : АГРУС, 2015. —

C. 80-83.-0,19 п. л.

14. Кулаев, В.Е. Методика исследования коэффициента трения покоя сенаж-ной массы о режущий элемент [Текст] / В.Е. Кулаев, В.Ю. Гальков // Актуальные проблемы научно-технического процесса в АПК : сборник научных статей по материалам VIII Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2015» / СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2015. - С. 215-218. - 0,19 п. л.

Подписано в печать 29.07.2015 Формат 60x84 Vis. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 252. Отпечатано в типографии издательско-полпграфнческого комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15.