автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование процессов изготовления и использования семенных капсул на основе отходов животноводства и птицеводства

На правах рукописи

005062108

Сухов Алексей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕМЕННЫХ КАПСУЛ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА И ПТИЦЕВОДСТВА

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

С и ;■,.•„,""! ¿-и

Мичуринск-Наукоград 2013

005062108

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Рос-сельхозакадемии).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тырнов Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: Горшенин Василий Иванович,

доктор технических наук, профессор / Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра «Тракторы и сельскохозяйственные машины», заведующий

Антонов Николай Михайлович,

доктор технических наук, профессор / Волгоградская сельскохозяйственная академия, кафедра «Механизация животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции», профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится «11» июля 2013 г. в И) часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов.

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

Автореферат разослан «6» июня 2013 г. и размещен на сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент -—^-3> В.Ю. Ланцев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Дальнейшее повышение урожайности сельскохозяйственных культур тесно связано с технологической и технической модернизацией отрасли, биологизацией земледелия на основе широкого применения отходов животноводства и птицеводства.

Внесение отходов, содержащих в своем составе основные химические элементы (азот, фосфор, калий) и микроэлементы, необходимые для роста и развития растений, улучшает динамику биологических процессов в почве. Наилучший эффект достигается при локальном внесении удобрений в зону развития корневой системы растений в процессе посева.

В связи с этим экономически целесообразно, при высокой стоимости минеральных удобрений создание нового посевного материала в виде капсул, изготавливаемых методом прессования и содержащих в своем составе, в определенных соотношениях: навоз КРС, птичий помет, дефекат и т.д., в количествах и с питательной ценностью, необходимых для нормального развития растений в конкретных почвенных условиях. Капсулирование семян позволяет, по мнению ученых и практиков, защитить их от низких температур, стимулировать рост и развитие растений. Посев такими семенами рекомендуется проводить раньше агротехнического срока для данного региона, что способствует повышению урожайности и более раннему созреванию растений.

Производство капсулированных семян не требует закупки сложного оборудования, компонентов исходных смесей для их приготовления и открывает возможности утилизации отходов животноводства и птицеводства, использования семян отечественной селекции.

Вместе с тем, к настоящему времени ни в отечественной, ни в зарубежной практике на рынках не представлено специализированных машин для посева капсулированных семян.

Поэтому разработка и дальнейшее совершенствование технологических процессов изготовления и высева семенных капсул, создание высевающих систем для их посева является актуальной научной задачей, имеющей важное хозяйственное значение.

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.06.05 «Разработать исходные требования на модернизацию пропашной сеялки для высева капсулированных семян и конструкторскую документацию для изготовления опытного образца», 09.03.05.08 «Разработать техническую документацию модернизации пропашных сеялок с введением в их конструкцию компонентов нового поколения», 09.01.03.05 «Обосновать технологические режимы использования современных комплексов машин, в т.ч. зарубежного производства для возделывания и уборки картофеля и сахарной свеклы» и межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ.

Степень разработанности темы. Общая теория формирования твёрдых брикетов и гранул из сыпучих материалов разработана в достаточной степени в нанотехнологиях, порошковой металлургии, в производствах керамики, медицине в процессах связанных с уплотнением бурых углей, торфа, растительных материалов, отходов промышленности, переработке овощей и фруктов и т.д.

Конструктивно-технологические схемы устройств для прессования материалов многообразны, однако применительно к производству семенных капсул шарообразной формы из отходов животноводства и птицеводства наиболее приемлемым и экономически целесообразным является метод холодного двухстороннего прессования в закрытых пресс-формах, пуансонами со значительной кривизной поверхности. Требование по форме семенной капсулы в виде шара обусловлено особенностями новой высевающей системы (патент РФ №2475012).

Общепринятой технологии изготовления капсулированных семян не существует, имеются отдельные разрозненные по целям и задачам публикации в литературных источниках, слабо отражающие обоснованность научных подходов и конструкторских решений.

Это обуславливает необходимость теоретического обоснования процесса прессования исходных смесей с компонентами на основе отходов животноводства и птицеводства, существенно отличающихся по свойствам от ранее исследуемых материалов в сельском хозяйстве.

Цель исследований - обосновать режимы и параметры технологического процесса прессования смеси навоза КРС и птичьего помета, обеспечивающие получение семенных капсул с требуемыми свойствами и разработать устройство для их посева.

Задачи исследований:

- изучить физико-механические и реологические свойства, химический состав отходов животноводства и птицеводства, дать оценку возможных их соотношений в составе смеси при изготовлении семенных капсул и питательной ценности, сформулировать основные требования к параметрам капсулы;

- теоретически обосновать давление и усилия при двухстороннем прессовании компонентов смеси в закрытых пресс-формах для обеспечения заданных характеристик и формы семенной капсулы в виде шара;

- выявить теоретически работу внешних сил и внутренних сопротивлений при пластической деформации компонентов смеси, затраты мощности на реализацию процесса, временные характеристики этапов технологического процесса, производительность оборудования;

- разработать конструктивно-технологические схемы устройства для прессования компонентов смеси и высевающей системы для посева капсулированных семян;

- изучить физико-механические и прочностные свойства семенных капсул, провести экспериментальные исследования и обосновать режимы и параметры процесса прессования для получения семенных капсул с требуемыми свойствами;

- определить затраты на изготовление и посев семенных капсул.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

- конструктивно-технологические схемы устройства прессования, семенной капсулы с внутренним каналом в форме усеченного конуса, высевающей системы для посева капсулированных семян;

- теоретические зависимости для определения давления и усилия двухстороннего прессования компонентов смеси на основе отходов животноводства и птицеводства в закрытых пресс-формах, обеспечивающие заданные характеристики и форму семенной капсулы в виде шара;

- теоретическое обоснование работы внешних сил и внутренних сопротивлений при пластической деформации смеси, затрат мощности на реализацию процесса, временных характеристик процесса и производительности оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические зависимости, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать параметры и режимы работы устройств для прессования многокомпонентных смесей, определить энергозатраты на осуществление процесса с учётом возникающих в процессе прессования пластической деформации, напряжений, физико-механических и прочностных свойств семенной капсулы.

Применение капсулированных семян открывает новые направления утилизации отходов животноводства и птицеводства, развития технических средств для посева нового технологического материала.

Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого применения в сельскохозяйственном производстве, предприятиям и организациям, занимающимся утилизацией отходов, ВУЗам - при подготовке аг-роинженеров.

Объект исследований - процессы прессования смеси навоза и птичьего помета, высева капсулированных семян, конструктивные элементы высевающих систем и устройств для прессования.

Предмет исследований - закономерности формирования семенных капсул из отходов животноводства и птицеводства, высева капсулированных семян.

Аналитические исследования выполнены с использованием методов земледельческой механики, сопротивления материалов, теоретической механики, математики. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных, ла-бораторно-полевых и эксплуатационных условиях в соответствии с ОСТами, ГОСТами и частными методиками. Обработка экспериментальных исследований выполнена с использованием статистических методов с применением компьютеров.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований по обоснованию параметров и режимов процесса прессования многокомпонентных смесей на основе отходов животноводства и птицеводства, определению энергозатрат на реализацию процесса;

- результаты экспериментальных исследований;

- технико-экономическое обоснование эффективности применения капсули-

рованных семян и затрат на их производство и посев.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением современной контрольно- измерительной и вычислительной техники;

- объёмом экспериментальных исследований;

- согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.

Основные материалы диссертации доложены и одобрены

- на заседаниях Бюро механизации, электрификации и автоматизации РАСХН (2010-2012 гг.);

- на заседаниях Учёного совета ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии (2010-2012 гг.);

- на областных семинарах и совещаниях (2010-2012гг.), выставке «День Москвы в Тамбовской области» (2010 г.);

- на XV Международной научно-практической конференции 18-19 сентября 2009 года «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства». ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов;

- на XVI Международной научно-практической конференции 20-21 сентября 2011 года «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства». ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов.

По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей общим объёмом 2,8 печатных листа, из них лично автору принадлежат 1,9 п.л., в том числе 3 статьи в изданиях, поименованных в «Перечне ведущих журналов и изданий» ВАК РФ, 4 статьи опубликованы в сборниках научных трудов, материалах научно-практических конференций и журналах, 1 - в описании патента РФ.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 49 рисунков, 6 приложений. Список используемой литературы включает 151 наименование.

Содержание работы

Введение, в соответствии с ГОСТ Р 7.01.11-2011, включает следующие основные структурные элементы: актуальность темы исследования, степень её разработанности, цель и задачи, научную новизну, теоретическую и практическую значимость, методологию и методы исследования, положения выносимые на защиту, степень достоверности и апробацию результатов.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» представлены результаты обзора и анализа ранее выполненных научных работ,

патентного поиска.

На основе обзора и анализа выполнена классификация технологических процессов и способов прессования механических смесей по следующим основным признакам: фазовому состоянию смеси, температуре процесса, реологии смеси и развития процесса деформаций, мерам упрочнения структуры смеси, способам подачи смеси к формообразующим элементам рабочего инструмента, способу приложения давления, направлению деформации, контактному взаимодействию смеси с матрицей, обеспечению условий выталкивания прессовок без разрушений, рисунок 1.

| ТвТНШТПГ»гнегжия и гппгпй»л ттрядгпняииж питвги-й |

о_температуре процесса

| тёплое с не д огрев ом

о-реологии смссц!ирадрипся процесса дсформорни

уттруто-пядстмчньхв

1^срада Пранатгор

жбвтко готлсттсшы» (ср еда Мюеса)

ьлзко-ппаетмхгтые (среда

Бннгама или Швецова Бингама)

ю мерамутуочпетоиисходной структуры смеси

без утгронлемкя 1

структуры

упрочнение структуры за счет применения гшягтиФиеяторпк <гтгтггртштеггмт н-я апной пгнове н та.4!

— снос об? подуш о

дискретные (преръшнстьге)

КИЯЯИЯТЙТИЧИПГИР.

»ЯПГТЯТИЧЕГГИв I гидростатам* с* не [

допрсс<овка | лили даал шпшшивла

-С

>

вибрационнч« |

магниго-нмпупь сные

——| горяч ад штамповка |

шт«мгх0вк4

на амс око скоростных

испопьзсва

ми*

пх формоо6р*-чу»с"тт«< 9п«м»1ЯШ атаг^ инструмент»

| 1 непрерывные |

шликер ное литьё

- по спосо бу приложения давления

сга'шитмчв чип:

с постепенно-возрастающим давлением

>м'и дгиььиа дадла н

о

-по направлению прессования_

односторонне»

С СОИрОТНИПЯХОЩИМСЯТрСШССМ

контактному взаимодействую с матриц* 1 I [ 6*7 трения I

г; лктинимм' т^якилм

[о обеспечению условий выталкивания прссссвор без paэдшIeJo^й^ ^

В сжатой состоянии с последующим отводом формообразующих по» »рхноствй

с применением 1С а сгкчньгх материалов

> формообразуюхцих

повеохностях

с исбопьз ов анием сжатого воздуха

Г ИГППТП.1ППЯРП»1в спсшплыолс мсхашгчсегаос устрскггз

Рисунок 1 - Классификация технологических процессов и способов прессования смесей.

Выполненная классификация позволила сформулировать основные направления исследований по обоснованию процесса изготовления семенных капсул методом прессования и требования к компонентному составу исходной смеси:

- наиболее целесообразным способом изготовления семенных капсул следует считать холодное сухое и полусухое дискретное двухстороннее прессование механических смесей в закрытых пресс-формах цилиндрического типа;

- семенная капсула должна быть шарообразной формы с диаметром, соответствующим размерам ячейки высевающей системы;

- верхний и нижний пуансоны должны совершать рабочие поверхности с радиусом кривизны, соответствующего размеру семенной капсулы;

- состав исходной смеси должен содержать все необходимые в процессе вегетации растений питательные элементы и обеспечивать показатель кислотности почв в зоне высева семян рН=5,6...6,0 и более;

- компоненты исходной смеси должны содержать составляющие, обеспечивающие повышенную влагоёмкость, пластичность и прочность семенной капсулы при использовании, транспортировке и хранении;

- применение отходов животноводства и птицеводства, дефеката и торфа, содержащие все необходимые элементы питания растений, в том числе микроэлементы, могут быть рассмотрены как альтернатива использованию минеральных удобрений;

- применение навоза и куриного помёта, обладающих высокой пластичностью позволит исключить синтетические пластификаторы, необходимые для упрочнения структуры механических смесей;

- организация производства семенных капсул из отходов животноводства и птицеводства открывает возможности применения семян отечественной селекции и обеспечит резкое снижение затрат на приобретение семенного материала импортного производства;

- для высева семенных капсул должны быть разработаны новые высевающие системы.

Во втором разделе «Теоретические исследования» представлен теоретический подход к обоснованию компонентов исходной смеси для изготовления семенных капсул и питательной их ценности, дано обоснование параметров семенной капсулы и процесса изготовления капсулированных семян, аналитическое обоснование давлений и усилий при прессовании компонентов смеси в закрытых пресс-формах, результаты теоретического обоснования работы внешних и внутренних сопротивлений при пластической деформации компонентов смеси, затрат мощности и представлено обоснование конструктивно-технологической схемы высевающей системы.

Разработка конструктивно-технологической схемы высевающей системы выполнена на основе анализа результатов теоретических положений Горячкина В .П., Желиговского В.А., Василенко П.М., Василенко В.В., Басина B.C., Брея В .В., Бузенкова Г.М., Гусинцева Ф.Г., Горшенина В.И., Зенина Л.С., Казарова K.P., Полонецкого С.Д., Труфанова В.В., Цимбал А.Г. и патентного поиска.

Новизна технического решения высевающего аппарата защищена патентом РФ, рисунок 2.

1- бункер; 2- распределительная камера; 3 - капсулы; 4- корпус;

5 - ось вращения; 6 - цилиндрический диск; 7 - ячейка; 8 - ворошитель;

9 - боковая пластина; 10 - сошник; 11 - выгрузное окно; 12 - отражатель;

13 - обрезиненный ролик; 14 - ось.

Рисунок 2 - Высевающий аппарат для посева семян в капсулах (патент РФ 2475012).

Высевающий аппарат для посева семян в капсулах, рисунок 2, содержит бункер 1 с распределительной камерой 2 для капсул 3, расположенный под ним корпус 4, в котором на горизонтальной оси вращения 5 установлен цилиндрический диск 6 с ячейками 7 и ворошителями 8, боковые пластины 9 для крепления полозовидного сошника 10, выгрузное окно 11, отражатель 12 и обрезиненный ролик 13, установленный на оси 14 с зазором не менее 0,2 максимального диаметра капсулы Октах между профилями боковых поверхностей обрези-ненного ролика 13 и диска 6, имеющих одинаковый радиус кривизны.

Цилиндрический диск 6 с ячейками 7 закреплен на зубчатке посредством болтов через отверстия. На боковой поверхности диска 6 выполнены цилиндрические ячейки диаметром Д,„ и глубиной Нт равными 1,2 диаметра максимальной капсулы йктах и галтель радиусом =0,40ктах на внутреннем основании диска 6. На боковой поверхности ячеек 7 по ходу вращения диска 6 выполнена фаска глубиной 0,2под углом естественного откоса капсул. Криволинейный ворошитель 8 закреплён резьбовым соединением на торцевой поверхности диска 6 на окружности.

Современный уровень теоретических разработок процессов уплотнения

дисперсных масс и пористых материалов базируется на ряде фундаментальных работ отечественных исследователей: Бальшина Ю.М., Баландина П.П., Жда-новича Г.М., Хасанова O.A., Романа O.K., Виноградова Г.Л. и др. в области порошковой и чёрной металлургии; Наумовича В.М., Дидуха Б.И., Гениева Г.А. и др. в области прессования торфа, деформации грунтов, динамики пластических и сыпучих сред; Горячкина В.П., Алфёрова С.А., Антонова Н.М., Долгова И.А., Некрашевича В.Ф., Завражнова А.И., Особова В.И., Пустыгина М.А. - в области уплотнения растительных материалов; Ковалёва Н.Г., Капустина В.П., и др. — в области упрочнения навозных масс.

В качестве основных параметров процесса прессования исследователи определяют: давление прессования, усилие прессования, пористость, плотность смеси и изделия, скорость прессования, время прессования, работа и мощность процесса и т.д. Единых сложившихся научных подходов в процессе обзора не обнаружено.

При этом в большинстве своём полученные аналитические зависимости базируются на результатах экспериментальных исследований тех или иных материалов и сред, отличающихся по свойствам от отходов животноводства и птицеводства. Исследования выполнены в узких диапазонах изменения варьируемых факторов. Нет единых мнений по стадийности процессов уплотнения. Кривая процесса уплотнения и изменения плотности трактуется также неоднозначно.

При проведении патентных исследований выявлены способы и устройства для изготовления брикетов и капсул.

Процесс изготовления семенных капсул шарообразной формы основан на прессовании смеси требуемого состава встречно движущимися пуансонами, с профилем дуги окружности равной радиусу семенной капсулы. Встречное движение пуансонов осуществляется внутри матрицы, представляющей собой полый цилиндр со стенками значительной толщины, способным выдерживать давления, создаваемые в процессе приложения нагрузок.

Верхний пуансон содержит кроме того стержень конической формы для формирования внутреннего канала, используемого для ввода семян.

Процесс прессования сыпучих тел и порошков сложен и в сельскохозяйственном производстве слабо изучен. В связи с этим предлагаемые для расчётов процесса аналитические зависимости основаны, как правило, на аппроксимации результатов экспериментальных исследований.

Для большого числа материалов, используемых в сельскохозяйственном производстве, подобных исследований вообще не проводилось.

Рассмотрим схему устройства для изготовления семенных капсул и действующих сил при прессовании смеси в закрытой пресс-форме, рисунок 3.

4 — конический стержень.

Рисунок 3 - Схема устройства для изготовления семенных капсул и действующих сил при двухстороннем прессовании смеси в закрытой пресс-форме.

По правилу сложения сил, рисунок 3, уравнение равновесия запишется в

виде:

Рсв+Рк = Рсн + Ртр, +Тх-Ртр2 -Т2, (1)

где Рс.в ~ усилие прессования, затрачиваемое на развитие деформации смеси верхним пуансоном со сферической поверхностью радиуса Як, Н; Рк - усилие прессования, затрачиваемое на создание семенного канала капсулы и дальнейшее развитие деформации смеси конусом в зоне семенного канала, Н; РСн - усилие прессования, затрачиваемое на осуществление деформации смеси нижним пуансоном со сферической поверхностью Як, Н; РТР,РТРг - усилие прессования, затрачиваемое на преодоление силы трения смеси по боковым пассивным поверхностям матрицы соответственно, Н; Ти Т2- усилие прессования, затрачиваемое на преодоление силы трения пуансона (верхнего и нижнего) по боковым поверхностям матрицы соответственно, Н; Япв, Я„„ ~ радиусы сферы пуансона верхнего и нижнего соответственно, Я„в = Яш = Як, Щ Як - радиус капсулы, м; хж - радиус основания конического стержня, м; а, - угол при вершине конуса, град; 1КС, Нк -длина образующей и высота конического стержня, соответственно, м; /г2 - величина перемещений пуансонов верхнего и нижнего, соответственно, м; Н„ - высота насыпки смеси, м; РБ , РБг - сила бокового распора, Н.

Составляющие уравнения (1) определяются следующими зависимостями:

Тх= (2)

Т2 = 27Г • -И2 • /2,И (3)

РТрх<Рсв+к)-КБх-/ъ,П (4)

РТРг =ЯСН-К,;2 -/4,Н; (5)

где - радиус матрицы, Н; Л' - нормальное усилие, действующее на поверхности конуса, N = 0,5сгэкв • 5К, Н; <тжв - эквивалентное напряжение, МПа; Бк - площадь конуса, м2; — коэффициент трения верхнего пуансона о поверхность матрицы; /2 - коэффициент трения нижнего пуансона о поверхность матрицы; КБ - коэффициент бокового распора, соответственно;^,^- коэффициент трения смеси о поверхность матрицы.

Используя выражения (2, 3, 4, 5), уравнение равновесия действующих сил (1) примет вид:

Рев +

То

а

соэ—

2

■лток-1к= Рси + 2 л ■ Лм • А, • /, +

(6)

+ {Рсв + 0,5аэкв ■ Бк)Кб ■ /3 - 2п-Ям-И2-/2- Рсн ■ КБ1 ■ /4.

С учётом основных положений теории напряжений и параметров устройства уравнение (6) запишется в следующем виде:

1ч-в

а сое— 2

Тя-вЪ,-^*? Г°" ^ + 0,5(7 зкв

Лее - 1 +

Кб, '/з

(7)

где (т„ - предельные напряжения, МПа; т0 - предельное касательное напряжение сдвига, МПа.

Полученные теоретические зависимости позволяют определять силу прессования на прессштемпеле с учётом прочностных свойств семенных капсул при сжатии, физико-механических свойств исходного материала, параметров капсулы, пуансонов и матрицы.

Определение удельной работы сжатия базируется на использовании закона сохранения энергии. При пластических и упругих деформациях смеси работа поверхностных сил (внешних) А | равна работе внутренних сил А2.

Л,=Л2,Дж (8)

Работа поверхностных сил равна алгебраической сумме активных сил

(А О, приложенных к прессштемпелю, поверхностных сил трения смеси по пассивной формообразующей поверхности матрицы (Атрс) и сил трения верхнего и нижнего пуансонов о поверхность матрицы (Атрп).

А, = Ашт-(АтрС+Атр„). Дж (9)

Работа внутренних сил равна алгебраической сумме работ на формоизменение (Аф) прессуемой смеси и развитие упругих и пластических деформаций

(А,):

Аг = Аф + Аа (Ю)

с использованием зависимостей (9) и (10) имеем:

Аф+Ад+Атрс+А тр п • (П)

Составляющие уравнения (11) Аф, А„, Атр „ Атр „ связаны с величиной давления на прессштемпеле и перемещением пуансонов в матрице.

При установившемся процессе прессования закон сохранения энергии можно выразить через мощность:

Nn = №ф + Nd + Nmpc + Nmp п,

(12)

где N„ - мощность затрачиваемая на прессование смеси (мощность поверхностных - активных сил), кВт; Л^, N„ - мощность формоизменения и деформаций смеси, соответственно, кВт; Nmp с, Nmp „ - мощности сил трения смеси и пуансонов, соответственно, кВт.

Мощность - это произведение силы на скорость. Выражение (12) можно выразить уравнением:

Nn = Р- V, кВт (13)

где Р - усилие прессования, Н; V— скорость прессования, м/с.

Скорость прессования (в первом приближении с учётом допущений о постоянстве скорости движения смеси на различных участках) можно определить согласно выражения:

V=H" ~^,м/с, (14)

^сж

где tCJIC - время сжатия смеси до момента образования капсулы, с.

Производительность процесса прессования в первом приближении можно определить согласно выражения:

- производительность при изготовлении одной шарообразной капсулы

QK=-nDl-p/tc>r, кг/с, (15)

6

где D„ - диаметр капсулы, м; р — плотность капсулы, кг/м .

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлены методические подходы к реализации поставленных задач, а также программа экспериментальных исследований.

Использованы ГОСТ 12041-82, ГОСТ 28268-69, ГОСТ 26483-85, ГОСТ 26212-91, ГОСТ 12036-85, ГОСТ 12042-89, ГОСТ Р 52778-2007.

При исследованиях применялись приборы для регистрации упругих характеристик капсул (динамометры сжатия, индикаторы), ротационный вискозиметр, тензорезисторы для определения усилий и давления прессования и т.д.

Схема лабораторной установки для изготовления семенных капсул представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема лабораторной установки для изготовления семенных капсул.

В качестве критериев оптимизации процесса прессования многокомпонентной смеси принята механическая прочность семенной капсулы на сжатие и удельная работа прессования во взаимосвязи с факторами: удельным давлением прессования (Х2 = 6...8 МПа), влажностью смеси (X, = 15...35%), массовой долей птичьего помёта в смеси (Хэ = 30...50%). Исследования выполнены с использованием методов планирования многофакторного эксперимента.

В четвёртом разделе «Экспериментальные исследования» представлены результаты исследований по определению прочностных свойств семенных капсул, удельной работы прессования многокомпонентных смесей, изложены показатели физико-механических свойств семенных капсул, сравнительных эксплуатационно-технологических показателей работы посевных агрегатов, показатели посева капсулированных семян, отражена динамика роста растений.

По результатам реализации плана второго порядка Бокса-Бенкина получено уравнение регрессии вида: у = Саж. = 2,4 - 0.4Х, + 2,ЗХ2 + 1,6Х3 - 0,27Х,Х3 + 0,11хххъ - 0,0$х2х3 + ъхгх + 6,8Х22 + 3,12х\. (16)

Коэффициенты уравнения значимы. Расчётное число критерия Фишера при 5% уровне значимости равно Гр= 1,9 меньше табличного /гт=2,1 (1,9 < 2,1). Гипотеза адекватности описания уравнением результатов эксперимента считается верной с 95%-ой вероятностью.

Поверхность отклика (16) относится к поверхности типа минимакса (коэффициенты регрессии имеют разные знаки). Центр фигуры находится вблизи центра эксперимента.

Увеличение влажности смеси приводит к снижению удельного давления прессования, а, следовательно, и к снижению механической прочности семенной капсулы на сжатие. Рост удельного давления прессования приводит к увеличению прочности капсулы. Увеличение массовой доли птичьего помёта в смеси ведёт к росту механической прочности капсулы, так как помёт является хорошим пластификатором и ведёт к упрочнению структуры капсулы.

На рисунках 5, 6, 7 представлены двумерные сечения поверхности откли-

ка, характеризующей механическую прочность семенных капсул на сжатие при различных значениях факторов Х2, Аз.

Рисунок 5 - Двумерные сечения

поверхности отклика, относительно Х|-Х2 при Х3=0.

Оптимальное значение критерия оптимизации составляет о= 1,6...1,8 МПа при влажности смеси ч>=25%, массовой доле птичьего помёта на уровне Л"з=37,5%, удельном давлении прессования, Хх= 5...5,5 МПа. Дальнейшее упрочнение структуры семенной капсулы связано с увеличением энергетических затрат и ухудшением влагопоглощения.

Удельная работа сжатия рассчитана на 1 кг исходной смеси по выражению:

(17)

где Р- площадь графика, мм2; к\, Л2 - масштабы силы и перемещений, Н/мм; т — масса сжимаемой смеси, кг.

По результатам реализации матрицы экспериментов получено уравнение регрессии вида:

У=л = 30,2-тх, + П,6Х2 +2,12Х,-0,5Х,Хг+2,5Х,Х,-\,5Х2Х, +5.2Х,2 +7,2 Х\ +4,8^.(18) Все коэффициенты уравнения (18) значимы. Табличное значение критерия Фишера /4=2,1. Расчётное значение /^=1,72 меньше табличного /^</4 (1,72<2,1). Гипотеза адекватности описания результатов эксперимента уравнением (18) считается верной с вероятностью 95%. Двухмерные сечения поверхности отклика представлены на рисунках 8, 9, 10.

ХЬ%Ъ

Рисунок 8 - Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующей удельную работу сжатия относительно Х,-Х2 при Х3=0.

Х2. МПа

30

Рисунок 9 - Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующей ^ удельную работу сжатия относительно Х,-Х3 при Х2=0.

20

30 35 40 45 Х3.%

Рисунок 10 — Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующей удельную работу сжатия относительно Х2-Х3 при Х1=0.

Xj.%

Анализируя двумерные сечения поверхности отклика, можно отметить, что оптимальное значение удельной работы сжатия смеси для получения семенной капсулы находится в интервале Л=24,9...29,9 кДж/кг, при влажности исходной смеси 27...28% и массовой доле птичьего помёта 36...37,5%.

Ввиду отсутствия посевных машин, кроме созданного посевного агрегата, способных осуществлять высев капсулированных семян с диаметром 18...20 мм, при сравнительных испытаниях использовали картофелесажалки 2 и 6 рядного исполнения.

Эксплуатационно-технологические показатели и показатели качества работы агрегатов на посеве капсулированных семян представлены в таблицах 1, 2. Таблица 1 - Эксплуатационно-технологические показатели работы МТА на посеве капсулированных семян (К=6 км/ч)

Состав машинно-тракторного агрегата Производительность агрегата за 1 час сменного времени, га/ч Расход топлива, кг/га

МТЗ-80/82+ 4-х рядная картофелесажалка (HASSIA SL, Колнаг 0,8 7,2

МТЗ-80/82+ 2-х рядная картофелесажалка (HASSIA SL, Колнаг 0,38 6,8

МТЗ-80/82 + сеялка 8-рядная (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) 2,7 2,3

John Dur 7830 + комбинация Grimme фреза + сажалка 2-х рядная 1,15 32

Таблица 2 - Показатели качества работы машин при посеве капсулированных семян сахарной свеклы

Тип применяемых машин и их рядность Диаметр используемых капсул, мм Фактическая норма высева капсулированных семян, шт/м Отклонение от заданной нормы высева капсулированных семян, % Коэффициент вариации распределения всходов в рядке, %

^гшп Углах ^средний

Картофелесажалка 2-х рядная (НА881А БЬ, Колнаг) 40 5 4,0 90 146 120

60 5 -8,0 79 243 151

Картофелесажалка 4-х рядная (НАББГА БЬ, Колнаг) 40 5 -5,4 85 138 108

60 6 7,3 63 320 205

Модернизированная сеялка для высева капсулированных семян 8-рядная (ГНУВНИИТиН Россельхозакаде- мии) 18 6 -1,7 15 40 24

20 6 -2,4 22 46 35

В пятом разделе «Технико-экономические исследования» изложена методика, исходные данные и результаты расчётов по определению эксплуатационных затрат при посеве капсулированных семян и их изготовление. Затраты средств на изготовление 1 т семенных капсул ориентировочно составляют 3105 руб.

Заключение

1. Анализ научных исследований подтверждает агротехническую эффективность применения нового технологического материала в виде семенных капсул, изготовленных из отходов животноводства и птицеводства. Это открывает новые направления в их утилизации, развитии технических средств для изготовления и посева капсул. Вместе с тем, имеющиеся разрозненные по целям и задачам публикации, слабо отражают обоснованность научных подходов и конструкторских решений.

2. На основе теоретических исследований разработана семенная капсула с внутренней конической усеченной полостью для семян и устройство для посадки семян в капсулах.

3. Теоретические зависимости, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать параметры и режим работы устройства для двухстороннего прессования многокомпонентных смесей в закрытых пресс-формах, опреде-

лить энергозатраты на осуществление процесса с учётом возникающих при этом пластических деформаций и напряжений, физико-механических и прочностных свойств семенных капсул.

4. Экспериментальные исследования процесса прессования многокомпонентных смесей, выполненные с использованием метода планирования многофакторных экспериментов, позволили установить:

- уравнение регрессии второго порядка для расчёта прочностных свойств семенных капсул и определить оптимальные их значения;

- оптимальное значение механической прочности семенных капсул с внутренней конической усеченной полостью на сжатие составляет <7сж=1,6...1,8 МПа при влажности исходной смеси И-25%, массовой доле птичьего помёта М=37,5% и удельном давлении прессования сгу=5...5,5 МПа;

- уравнение для расчёта удельной работы сжатия при изготовлении семенных капсул и определить оптимальное её значение;

- оптимальное значение удельной работы сжатия смеси навоза и птичьего помёта находится в интервале Л=24,9...29,9 кДж/кг;

- относительная влажность капсул после завершения процесса структуро-образования и упрочнения составляет 5...7%, а время полного распада капсулы в воде - 6...9 минут.

5. Экспериментальными исследованиями посевного агрегата с новым устройством (патент РФ 2475012) доказано:

- применение нового устройства для высева капсулированных семян характеризуется коэффициентом вариации распределения семян на уровне 24...35% при отклонениях от заданной нормы - 2...2,5%, а производительность и расход топлива посевного агрегата (8 рядное исполнение) с трактором МТЗ-80/82 составляют соответственно 2,7 га/ч, С=2,3 кг/ч;

- использование картофелесажалок, как 2-х, так и 4-х рядного исполнения с трактором МТЗ-80/82 для посева капсулированных семян неэффективно в связи с низкой производительностью - 0,38...0,8 га/ч и высоким расходом топлива С=6,8...7,2 кг/га;

- показатели качества картофелесажалок при посеве капсулированных семян диаметром 40...60 мм очень низки: коэффициент вариации — 120...205%, а отклонение от заданных норм — 4...8% и более.

6. Снижение эксплуатационных затрат при использовании посевного агрегата, с предложенным устройством для высева семян на посеве сахарной свеклы, в сравнении с 6-ти рядной картофелесажалкой составит более 470 тыс. руб., а в сравнении с 2-х рядной более 900 тыс. руб.

Затраты средств на изготовление 1 т семенных капсул ориентировочно составляют 3105 руб.

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

1. Тырнов Ю.А. Силовой анализ процесса прессования семенной капсулы / Тырнов Ю.А., д.т.н., Балашов A.B., к.т.н., В. П. Белогорский, инженер, Сухов A.A., аспирант, ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии МЭСХ // Техника в сельском хозяйстве, 2013,' 3. - С. 15-17.

2. Тырнов Ю.А. Сравнительные эксплуатационно-технологические показатели и показатели качества посева капсулированных семян / Ю.А. Тырнов, д.т.н., A.B. Балашов, к.т.н., A.A. Сухов, аспирант, ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск: 2013, 3, С. 48-49.

3. Сухов A.A. Энергоёмкость процесса прессования при изготовлении семенных капсул / A.A. Сухов, аспирант, ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск: 2013,3.-С. 50-51.

В описаниях патентов РФ

4. Патент №2475012 Российская Федерация, МПК АО С1 7/04. Устройство для посадки семян в капсулах. / Тырнов Ю.А., Балашов A.B., Белогорский В.П., Стрыгин С.П., Сухов A.A.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии. - № 2011132723, заяв.03.08.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. №5. - 7 с: ил.

Публикации в других изданиях

5. Зазуля А.Н. Повышение эффективности использования технологий и технических средств для возделывания и уборки пропашных культур (рекомендации) / Ю.А. Тырнов, A.B. Балашов, Г.Н. Ерохин, В.П. Белогорский, С.П. Стрыгин, A.A. Синельников, В.А. Минкин, A.A. Сухов, ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии. - Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2012. - 76 с.

6. Тырнов Ю.А. Теоретическое обоснование давлений и усилий при прессовании компонентов смеси семенной капсулы в закрытых пресс-формах / Ю.А. Тырнов, A.B. Балашов, В.П. Белогорский, A.A. Сухов, Ж.Ж. Зайнушев // Наука в Центральной России, 2013, 2 - С. 4-6

7. Тырнов Ю.А. Прочностные свойства семенных капсул и удельная работа сжатия исходной смеси / Ю.А. Тырнов, A.B. Балашов, В.П. Белогорский, A.A. Сухов, Ж.Ж. Зайнушев // Наука в Центральной России, 2013, 2. - С. 7-9.

8. Тырнов Ю.А. Эксплуатационно-технологические показатели работы агрегатов на посеве капсулированных семян / Тырнов Ю.А., д.т.н., Балашов A.B., к.т.н., Белогорский В.П., инженер, Сухов A.A., аспирант, ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии // Наука в Центральной России, 2013, 2. - С. 31-33.

Отпечатано ИП Першиным Р.В. Тамбов, Советская, 21, а/я №7.

Подписано в печать 05.06.2013. Заказ № 050613-01. Печать электрографическая. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Формат 60x90/16. Объем 1,3 усл.печ.л. Тираж 100 экз.

Государственное научное учреждение

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНИКИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии)

На правах?рукописи

04201360707

Сухов Алексей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕМЕННЫХ КАПСУЛ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА И ПТИЦЕВОДСТВА

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Тырнов Юрий Алексеевич

Мичуринск-Наукоград 2013

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ................... 11

1.1 Технологии подготовки семян к посеву. Агротехнические требования к новому технологическому материалу в виде капсул.

Целесообразность его применения...................................................................... 11

1.2 Обзор и анализ методов изготовления капсул и брикетов............................... 16

1.3 Краткий обзор и анализ научных и патентных исследований

в области уплотнения материалов при изготовлении брикетов,

и капсул, совершенствовании технических средств для посева....................... 37

Выводы........................................................................................................................ 55

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................ 57

2.1 Теоретический подход к обоснованию состава компонентов исходной

смеси для изготовления семенных капсул и питательной их ценности........... 57

2.2 Обоснование параметров семенной капсулы и процесса изготовления капсулированных семян.......................................................................................... 61

2.3 Теоретическое обоснование давлений и усилий при двухстороннем прессовании компонентов смеси в закрытых пресс-формах............................ 68

2.4 Теоретическое обоснование работы внешних сил и внутренних сопротивлений при пластической деформации компонентов смеси, затрат мощности на реализацию процесса изготовления семенных капсул............... 72

2.5 Обоснование конструктивно-технологической схемы высевающей системы капсулированных семян........................................................................ 74

Выводы........................................................................................................................ 77

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................................................. 79

3.1 Программа экспериментальных исследований.................................................. 79

3.2 Методика определения физико-механических свойств исходной смеси

и семенных капсул................................................................................................. 80

3.3 Методика определения реологических свойств исходных смесей.................. 81

3.4 Определение прочностных свойств семенной капсулы................................... 85

3.5 Методика определения показателей процесса прессования............................ 87

3.6 Проведение сравнительной эксплуатационно-технологической оценки посевных агрегатов.............................................................................................. 90

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................... 96

4.1 Результаты исследований по определению прочностных свойств семенных капсул.................................................................................................. 96

4.2 Удельная работа прессования многокомпонентных смесей................................ 99

4.3 Физико-механические свойства семенных капсул...........................................102

4.4 Сравнительные эксплуатационно-технологические показатели

и показатели качества посева семенных капсул..............................................103

4.5 Исследование динамики роста растений...........................................................106

Выводы.......................................................................................................................108

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................110

5.1 Методика и результаты исследований по обоснованию экономической

эффективности применения технологий приготовления и посева

капсулированных семян.....................................................................................110

Выводы............................................................................:..........................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Заявка на изобретение №2012125297 от 18.06.2012........... 129

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Патент РФ №2475012С1........................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ В - Матрица планирования и результаты эксперимента

по определению прочностных свойств семенных капсул.....................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ Г - Матрица планирования и результаты экспериментов

по определению удельной работы сжатия..............................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ Д - Справка ФГОУ ВПО РГАЗУ................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ Е - Справка ООО «Металлоснастка» (г. Волгоград)................140

Актуальность темы исследований. Рост объемов производства сельскохозяйственных культур неразрывно связан с освоением современных наукоёмких агротехнологий, дальнейшей технологической модернизацией и биологизацией земледелия, интенсификацией сельскохозяйственного производства с минимальными экологическими рисками [1].

Упрощение современных агротехнологий, основанных на методологии формирования и проектирования адаптивно-ландшафтной системы земледелия, разработанной ведущими учёными Россельхозакадемии, приводит к резкому снижению урожайности сельскохозяйственных культур и потере качества получаемой продукции. Это обуславливает продовольственную зависимость России от большинства зарубежных государств в связи с тем что, урожайность большинства сельскохозяйственных культур в нашей стране, при наличии мощного производственного и ресурсного потенциала земель, в 1,5...2 раза ниже среднемировой [1,2,3,4, 5].

Переход земледелия на биологическую основу по-мнению [1, 6, 7] предусматривает широкое внедрение травосеяния - до 25% пашни, массовое освоение бинарных посевов и сидеральных культур, сохранение пожнивных остатков на полях и внесение органических удобрений, минимизация применения минеральных удобрений и пестицидов, новых систем обработки почвы.

Реализация мероприятий позволит получать положительный баланс сухих веществ в почве, что является важным фактором сохранения и улучшения её плодородия [1, 7]. В этой связи биологизация земледелия обуславливает необходимость развития животноводства, дающего огромное количество биологического материала в виде отходов: свиноводческих стоков, навоза крупного рогатого скота, птичьего помёта [1, 8, 9, 10]. Кроме того, важным резервом повышения плодородия почв являются запасы торфа, мела, извести, а также отходы сахарных заводов - дефекат [11, 12].

Внесение отходов, содержащих в своём составе основные химические элементы (азот, фосфор, калий) и микроэлементы, необходимые для роста и развития

растений, улучшает динамику биологических процессов в почве. Наилучший эффект достигается при локальном внесении удобрений в зону развития корневой системы растений в процессе посева [11, 12].

В связи с этим экономически целесообразно, при высокой стоимости минеральных удобрений и семян, например сахарной свеклы, кукурузы и подсолнечника, создание нового технологического материала в виде капсул, представляющих собой семенную капсулу шарообразной формы с внутренним каналом, изготавливаемую из навоза с включением куриного помёта, торфа, дефеката и т.д. Семя по каналу вводится внутрь капсулы. Размер капсулы (диаметр) с одним зерном зависит от состава и количества закладываемых в неё питательных веществ. Капсулирование семян позволяет, по-мнению, учёных, агрономов, защитить их от низких температур, стимулировать рост и развитие растений. Кроме того, посев такими семенами можно проводить намного раньше агротехнического срока для данного региона, что способствует повышению урожайности и более раннему созреванию растений [13, 14, 15]. Это обстоятельство, например, при производстве кукурузы на зерно, обуславливает более ранние сроки уборки в период которых, влажность зерна низкая и практически не требуют подсушивания или оно минимально.

Производство капсулированных семян не требует закупки сложного оборудования, компонентов исходных смесей для их приготовления и открывает возможности утилизации отходов животноводства и птицеводства, использования семян отечественной селекции.

Вместе с тем, к настоящему времени ни в отечественной, ни в зарубежной практике на рынках не представлено специализированных машин и эффективных технологий для приготовления, а также посева капсулированных семян.

Задача создания специализированных посевных машин для посева капсулированных семян, может быть успешно решена за счёт модернизации существующих сеялок типа ССТ, СУПН, путём введения новых высевающих элементов [5].

Модернизированная посевная техника должна быть конкурентно-способной по ценовым характеристикам на отечественном рынке и обеспечивать поддержание уровня механизации сельского хозяйства в хозяйствах не только с низкой

экономикой производства [5]. Их разработка является актуальной научной задачей, имеющей важное хозяйственное значение.

Актуальность темы исследований подтверждается заданиями Россельхо-закадемии.

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН Россельхоза-кадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.06.05 «Разработать исходные требования на модернизацию пропашной сеялки для высева капсу-лированных семян и конструкторскую документацию для изготовления опытного образца», 09.03.05.08 «Разработать техническую документацию модернизации пропашных сеялок с введением в их конструкцию компонентов нового поколения», 09.01.03.05 «Обосновать технологические режимы использования современных комплексов машин, в т.ч. зарубежного производства для возделывания и уборки картофеля и сахарной свеклы» и межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ.

Степень разработанности темы. Общая теория формирования твёрдых брикетов и гранул из сыпучих материалов разработана в достаточной степени в нанотехнологиях, порошковой металлургии, в производствах керамики, медицине в процессах связанных с уплотнением бурых углей, торфа, растительных материалов, отходов промышленности, переработке овощей и фруктов и т.д.

Конструктивно-технологические схемы устройств для прессования материалов многообразны, однако применительно к производству семенных капсул шарообразной формы из отходов животноводства и птицеводства наиболее приемлемым и экономически целесообразным является метод холодного двухстороннего прессования в закрытых пресс-формах, пуансонами со значительной кривизной поверхности. Требование по форме семенной капсулы в виде шара обусловлено созданием новой высевающей системы, согласно патента РФ №2475012, и семенной капсулы, созданных с участием соискателя, приложение А.

Сложившейся и общепринятой технологии изготовления капсулированных семян не существует, имеются отдельные разрозненные по целям и задачам публикации в литературных источниках, слабо отражающие обоснованность научных подходов и конструкторских решений.

Это обуславливает необходимость теоретического обоснования процесса прессования исходных смесей с компонентами на основе отходов животноводства и птицеводства, добавок из торфа и дефеката, существенно отличающихся по свойствам от ранее исследуемых материалов в сельском хозяйстве.

Научного обоснования основных параметров и режимов работы технологического оборудования для изготовления шарообразных семенных капсул и высевающих систем, в силу особенностей нового технологического посевного материала ранее не проводилась и в литературных источниках не выявлено результатов исследований.

Цель исследований - обосновать режимы и параметры технологического процесса прессования смеси навоза КРС и птичьего помета, обеспечивающие получение семенных капсул с требуемыми свойствами и разработать устройство для их высева.

Задачи исследований:

- изучить физико-механические и реологические свойства, химический состав отходов животноводства и птицеводства, дать оценку возможных их соотношений в составе смеси при изготовлении семенных капсул и питательной ценности, сформулировать основные требования к параметрам капсулы;

- теоретически обосновать давление и усилия при двухстороннем прессовании компонентов смеси в закрытых пресс-формах для обеспечения заданных характеристик и формы семенной капсулы в виде шара;

- выявить теоретически работу внешних сил и внутренних сопротивлений при пластической деформации компонентов смеси, затраты мощности на реализацию процесса, временные характеристики этапов технологического процесса, производительность оборудования;

- разработать конструктивно-технологические схемы устройства для прессова-

ния компонентов смеси и высевающей системы для посева капсулированных семян;

- изучить физико-механические и прочностные свойства семенных капсул, провести экспериментальные исследования и обосновать режимы и параметра процесса прессования для получения семенных капсул с требуемыми свойствами;

- определить затраты на изготовление и посев семенных капсул.

Научную новизну диссертационной работы составляют

- конструктивно-технологические схемы устройства прессования, семенной капсулы с внутренним каналом в форме усеченного конуса, высевающей системы для посева капсулированных семян;

- теоретические зависимости для определения давления и усилия двухстороннего прессования компонентов смеси на основе отходов животноводства и птицеводства в закрытых пресс-формах, обеспечивающие заданные характеристики и форму семенной капсулы в виде шара;

- теоретическое обоснование работы внешних сил и внутренних сопротивлений при пластической деформации смеси, затрат мощности на реализацию процесса, временных характеристик процесса и производительности оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические зависимости, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать параметры и режимы работы устройств для прессования многокомпонентных смесей, определить энергозатраты на осуществление процесса с учётом возникающих в процессе прессования пластической деформации, напряжений, физико-механических и прочностных свойств семенной капсулы.

Применение капсулированных семян открывает новые направления утилизации отходов животноводства и птицеводства, развития технических средств для посева нового технологического материала.

Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого применения в сельскохозяйственном производстве, предприятиям и организа-

циям, занимающимся утилизацией отходов, ВУЗам - при подготовке агроин-женеров.

Объект исследований - процессы прессования смеси навоза и птичьего помета, высева капсулированных семян, конструктивные элементы высевающих систем и устройств для прессования.

Предмет исследований - закономерности формирования семенных капсул из отходов животноводства и птицеводства, высева капсулированных семян.

Аналитические исследования выполнены с использованием методов земледельческой механики, сопротивления материалов, теоретической механики, математики. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных, лабора-торно-полевых и эксплуатационных условиях в соответствии с ОСТами, ГОСТами и частными методиками. Обработка экспериментальных исследований выполнена с использованием статистических методов с применением компьютеров. Положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований по обоснованию параметров и режимов процесса прессования многокомпонентных смесей на основе отходов животноводства и птицеводства, определению энергозатрат на реализацию процесса;

- результаты экспериментальных исследований;

- технико-экономическое обоснование эффективности применения капсулированных семян и затрат на их производство и посев.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением современной контрольно- измерительной и вычислительной техники;

- объёмом экспериментальных исследований;

- согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.

Основные материалы диссертации доложены и одобрены

- на заседаниях Бюро механизации, электрификации и автоматизации РАСХН (2010-2012 гг.);

- на заседаниях Учёного совета ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии (2010-2012 гг.);

- на областны