автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Способ и установка для обработки грубого корма давлением с обоснованием параметров и режимов ее работы

Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора ГГ.А. Костычева

КОВАЛЕВ Андрей Иванович

СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГРУБОГО КОРМА ДАВЛЕНИЕМ С ОБОСНОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ЕЕ РАБОТЫ

Специальность 05.20.01 -механизация сельскохозяйственного производства

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

Рязань -1998

Работа выполнена на кафедре "Механизация животноводства" Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.Л. Костычева.

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Некрашевич В.Ф., кандидат технических наук, доцент Зимняков В.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Курочкин A.A.,

кандидат технических наук, доцент Местюков В.И.

Ведущее предприятие - Всероссийский научно-исследовательский и

проектно-технологический институт механизации животноводства (ВНИИМЖ), г. Подольск.

Защита состоится " ^ ^ " ВбКй5~рЯ_ 1998 года на заседании

диссертационного совета Д. 120.09.01 при Рязанской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, Д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан " ^ ^ " НОЯ^рЯ_ 1998 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Угланов М.Б

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы. Грубые корма в составе рационов для крупного рогатого скота (КРС) составляют до 25% по питательности. Обычно этот вид корма в неподготовленном для скармливания виде (кроме сена хорошего качества) не используется. Применяемые в настоящее время способы обработки грубых кормов перед скармливанием сельскохозяйственным животным направлены на повышение их поедаемости и переваримости. При осуществлении этих способов ставится задача уменьшения частиц корма, его размягчения, обогащения химическими препаратами и микроорганизмами, превращения питательных веществ в более усвояемую животными форму. Однако данные виды обработки в одних случаях довольно дороги, в других требуют специального оборудования и строжайшего соблюдения технологии. Поэтому разработка новых способов, позволяющих с небольшими дополнительными затратами полнее использовать энергетический потенциал грубых кормов для повышения продуктивности сель-скохозяйствешпах животных, является одной из важных народнохозяйственных задач.

В этой связи разработка способа обработки грубых кормов давлением путем пропускания их через вальцовую пару и установки для ее осуществления представляется важной и актуальной, так как требует небольших затрат для подготовки корма к скармливанию животным и в то же время значительно повышает поедаемость и переваримость питательных веществ.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Рязанской государственной сельскохозяйст-вешюй академии (РГСХА) им. П. А. Костычева по теме: "Совершенствование технологии и средств механизации приготовления кормов сельскохозяйственным и домашним животным" (номер гос. регистрации 01.91.0007521).

1.2. Цель и задачи исследований. Целью исследований является повышение эффективности использования грубых кормов в кормлении сельскохозяйственных животных и снижении затрат труда и энергии на получение животноводческой продукции за счет разработки технологии и оборудования для обработки грубых кормов давлением, а также обоснования оптимальных режимов его работы. Для достижения указашгой цели были поставлены следующие зада-

чи исследований: 1 - изучить физико-механические свойства грубых кормов применительно к процессу обработки их давлением; 2 - разработать и обосновать конструктивно-технологическую схему установки для обработки грубых кормов давлением; 3 - обосновать конструктивно-технологические параметры i оптимальные режимы работы установки для обработки грубого корма давлением; 4 - предложить поточно-технологическую линию для обработки грубого корма давлением, используя серийно выпускаемое оборудование и предлагаемую установку; 5 - разработать метод оценки степени разрушешш клеточных оболочек грубого корма; 6 - произвести проверку предложенной технологии обработки грубого корма давлением и работоспособности оборудования в производственных условиях и определить экономическую эффективность.

1.3. Объекты исследования. Объектами исследования являлись вальцовьи станок, способ обработки грубых кормов давлением, способ оценки качества обработки грубых кормов давлением, а также физико-механические свойства некоторых грубых кормов, наиболее часто используемых в кормлении животных.

1.4. Методика исследований. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования заключались в получении расчетных формул, позволяющих установить рациональные параметры, режим работы и энергозатраты вальцовой пары в зависимости от физико-механических характеристик грубого корма, поступающего на обработку давлением.

При проведении экспериментальных исследований использовались стандартные и частные методики, специально разработанный прибор для определения сопротивления стеблей грубых кормов сжатию, лабораторная установка для разрушения клеточной структуры грубых кормов и опытно-производственная установка для обработки грубых кормов давлением путем пропускания через вальцовую пару. Исследования проводились с применением методов планирования эксперимента и тензометрирования. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с применением современных программ на ПЭВМ IBM PC.

1.5. Научная новизна. Предложен способ для обработки грубого корма давлением и конструкция устройства для его осуществления. Предложена проверенная на практике научно-обоснованная методика расчета его параметров, конструкции и энергозатрат на работу. Изготовлена и испытана установка для осуществления обработки грубого корма давлением с вальцовым аппаратом.

На устройство для механической обработки грубых кормов получено свидетельство на полезную модель № 6107.

1.6. Реализация работы. По результатам исследований изготовлена опытно-производственная установка для обработки грубого корма давлением, которая прошла производственные испытания в учхозе "Стеш,кино" Рязанской ГСХА. Опыты по скармливанию обработанного на установке грубого корма крупному рогатому скоту показали, что он поедается лучше, чем необработанный. Результаты научных исследовашш были использованы в работе проблемной научно-исследовательской лаборатории гранулирования и брикетирования кормов (ПНИЛГБК) по теме: "Разработка технологий и средств приготовления прессованных грубых кормов с повышенным использованием животными их энергетического потенциала" (регистрационный № 01.91.0007521).

1.7. Апробация. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Рязанской ГСХА им. профессора П.А. Костыче-ва (1995... 1998 г.г.).

1.8. Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 научных статьях и полученном свидетельстве на полезную модель.

1.9. Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций производству, списка использованной литературы из 124 наименований и приложений. Работа изложена на 138 страшщах машинописного текста, содержит 33 иллюстрации и 7 таблиц.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования и положения, выносимые на защиту.

2.1. В первом разделе "Состояние вопроса и постановка задач исследования" дан обзор и анализ существующих способов и средств механизации для

подготовки грубых кормов к скармливанию селт.скохозяйственным животным, также выполнен анализ результатов научных исследований в этом направлении

Применяемые в настоящее время способы обработки кормов перед скармливанием сельскохозяйственным животным направлены на повышение их поедаемое™ и переваримости питательных веществ. Эти способы делятся на физико-механические, химические, биологические и комбинированные. При их осуществлении ставились задачи уменьшения размеров частиц корма, его размягчения, обогащения химическими препаратами и микроорганизмами, превращения питательных веществ в более усвояемую форму, но не ставилась задача массового разрушения клеточных оболочек с целью улучшения условий для развития микроорганизмов в рубце жвачных животных. Сущность предлагаемого способа обработки заключается в массовом разрушении оболочек клеток грубого корма давлением путем пропускания их через вальцовую пару, при сохранении целостности частиц.

Исследованиям процессов, происходящих при деформации сено-соломистых материалов, посвящены работы И.И. Вольфа, A.A. Чапкевича, В.П. Горяч-кина, М.А. Пустыгина, Скальвейта, Е.И. Храпача, И.А. Долгова, В.И. Особова, Г.К. Васильева, C.B. Мельникова, В.Ф. Некрашевича и других ав торов. Их анализ показывает, что в сельскохозяйственном производстве обработка кормов вальцами может применяться не только для шпощешы, но и для уплотнения, а также транспортирования кормов. Грубые корма, подлежащие прокатке, имеют различные свойства. Поэтому можно сделать вывод о невозможности применения единой и универсальной методики расчета вальцовых органов для их обработки.

Совершенство любой кормообрабатывающей машины должно оцениваться не только показателем удельной энергоемкости, но и тем, насколько качество обработки отвечает зоотехническим требованиям. Разработкой показателей качества обработки грубых кормов занимались М.А. Сулима, C.B. Мельников, A.B. Надеждин, Г.М. Кукта, В.А. Голиков, В.В. Сайченко и другие. Однако, предлагаемые показатели либо трудоемки в определении, либо не могут служить для оценки качества обработки грубых кормов давлением.

С учетом вышеизложенного была сформулирована цель работы и поставлены задачи исследования.

2.2. Во втором разделе "Физико-механические свойства грубых кормов" изучены основные физико-механические свойства, влияющие на процесс обработки грубых кормов давлением путем пропускания их через вальцовую пару: размерные характеристики стеблей, объемная масса материала, сопротивление стеблей сжатию, влажность.

Знание перечисленных физико-механических свойств грубых кормов позволяет правильно обосновать конструктивные параметры машины для их обработки, определить геометрические размеры рабочих органов, установить необходимые режимы обработки, прочность элементов конструкции и его производительность.

Средние размеры стеблей грубых кормов изменяются в значительных пределах в зависимости от культуры, сорта растений, условий выращивания, фазы вегетации и так далее. Длина стеблей соломы пшеницы "Московская 35", ячменя "Зазерский" и овса "Горизонт" составила в среднем 0,86; 0,31; 0,54 м, а средний диаметр стеблей 2,52; 1,82; 2,22 мм. При этом геометрическая площадь поперечного сечения стеблей находится в линейной зависимости от высоты растения. Средняя толщина стенок стебля пшеницы составила 0,44, ячменя -0,11, овса - 0,14 мм. Давление, при котором структура стебля разрушается и в нем появляется макспматыюе количество трещин, составляет для соломы пшеницы 102, ячменя - 62, овса - 49 кПа. Наибольшее число разрывов и деформаций клеток соломы пшеницы наблюдается при давлении от 24 до 30 МПа. Средняя плотность материала стебля соломы пшеницы составила 631 кг/м3, а средняя объемная масса измельченной соломы 267 кг/м3.

2.3. В третьем разделе 'Теоретические предпосылки к обоснованию способа обработки грубого корма давлением" предложена конструктивно-технологическая схема установки для обработки грубого корма давлением, дано теоретическое обоснование геометрических, кинематических и динамических параметров вальцовой пары, получены формулы для расчета рациональных параметров, рассмотрен вопрос сжатия полых стеблей.

Технологический процесс обработки грубого корма давлением путем пропускания через вальцовую пару сводится к деформации и разрушению клеточной структуры частиц вальцами.

По своим физико-механическим свойствам грубые корма можно отнести к упруго-вязко-пластичным материалам, так как после приложения к ним какого-либо усилия они способны восстанавливаться, хотя и не приобретая первоначальную форму.

В процессе обработки грубых кормов вальцами важно выделить два этапа, момент захвата слоя корма вальцами и процесс установившейся прокатки. Необходимо отметить также и то, что относительный сдвиг слоев материала в рабочей зоне вальцов способствует более глубокому разрушению клеточной структуры стеблей. Достичь этого эффекта можно, вращая вальцы с разными угловыми скоростями.

Рассмотрим процесс захвата слоя грубого корма гладкими цилиндрическими валыхами одинакового диаметра, с одинаковой поверхностью, вращающихся принудительно с разными угловыми скоростями (пис. 1).

В.П. Горячкин в анализе работы вальцов соломорезки впервые сделал вывод о том, что захват слоя корма будет осуществлен, если горизонтальные составляющие сил нормального давления N будут меньше или (в пределе) равны горизонтальным составляющим сил трения Т. Однако он не учитывал влияние сил инерции и и внешних сил Я, а также не учитывалось то, что слой грубого

Рис. 1 Схема сил, действующих на слой материала в момент захвата его вальцами, имеющими разные угловые скорости ( со 1 > со 2)

корма не очерчен строгими геометрическими контурам», а имеет неоформленные i-раницы, способствующие лучшему захвату.

Так как увеличение относительной скорости движения приводит к уменьшению коэффициента трешю, то начальный угол захвата медленновращающе-гося вальца а !12 будет больше начального угла захвата быстровращшощегося вальца а н i • Условие захвата этими вальцами грубого корма без учета сил R и U будет иметь вид

N if 1 cos a hi + Nifi cos аН2 > N i sina^i + N2 sinaH2 , (1) где Ni, N2 - силы нормального давления; , /2 - коэффициенты трети корма о поверхность вальцов; аН1, аи2 - начальные углы захвата слоя корма вальцами.

С учетом сил R, U и неоформленности грашщ максимальный слой корма, который могут захватить вальцы, исходя из геометрических соотношений (рис. 1), определится по формуле

1

НИтах = А + D (1--; , (2)

V 1 + tg2 (р ср-К с-Кг

где Л - минимальный зазор между вальцами; D - диаметр вальцов; ср ср. - средний угол трения корма о поверхность вальцов, <р Ср - (<р 1 + (р 2)/ 2; К с - коэффициент, учитывающий влияние внешних сил и сил инерции, Кс 2 1 (если R>U), ¡■Сс ^ I (если R<U)', Kj■- коэффициент, учитывающий неравномерность геометрических контуров слоя грубого корма, Кг > 1.

Аначиз этой формулы показывает, что зависимость максимальной толщины прокатываемого слоя от диаметра вальцов линейная. Толщина слоя, захватываемого вальцами, зависит прежде всего от диаметра вальцов и коэффициентов трения корма о их поверхность.

При установившемся процессе прокатки нормальные N и касательные силы Т (силы трегага) действуют на материал по всей дуге захвата А / С / и А ¿С 2 (рис. 2). Грубый корм деформируется в направлеЕши наименьшего сопротивления, его деформация сопровождается увеличением плотности от начальной - при входе в вальцы - до максимальной - в наименьшем зазоре Л

между вальцами. Пройдя минимальный зазор, грубый корм благодаря своим упругим свойствам значительно восстанавливается, но своего первоначального объема не достигает.

Площадь контакта материала с вальцами можно разделить на четыре зоны. В зоне 1 имеет местс сжатие с отставанием, в зоне 2 - сжатие с опережением, в зоне 3 - расширение с опережением, в зоне 4 - расширение с отставанием. Под отставанием понимается замедление (пробуксовка) или ускорение (выдавливание) движения материала относительно вальцов. Вертикальные сечения, в которых контактные силы трения изменяют направление и соответствующие им Рис. 2 Схема действия сил со стороны вальцов углы у ц, уи' называют-на обрабатываемый материал ся нейтральными.

Выделим в очаге деформации элемент а в с с1 длиной й х , ограниченный цилиндрическими поверхностями вальцов и двумя плоскостями, перпендикулярными направлению прокатки (рис. 3). Допустим, что вальцы имеют одинаковые диаметры, поверхности и угловые скорости. Ввиду симметрш! процесса рассмотрим взаимодействие материала с одним вальцом, имея ввиду нагрузку на единицу длины вальца - 1 м. Действие левой части слоя на выделенный

элемент выразится усилием (jx hx, где áx -усредненное нормальное напряжение сжатия по сечению a d, а Их -высота сечения a d. В плоскости в с усредненное нормальное напряжение dx + dóx , а высота полосы hx- d hx. Тогда действие правой части прокатываемой массы на выделенный элемент при единичной ширине полосы можно представить в виде (Óx + dÓx )-(hx -dhx)-

Усредненные нормальные напряжения сжатия для зон 1-4, учитывая, что гх =fpx, Рх ~ pdх , где р - коэффициент пропорциональности, можно вычислить по формулам

8 - sin ац 1

dx,-dxn(-; eef<ei-*»> , (3)

Рис. 3 Схема для определешм удельных давлетш на поверхность вальцов

т X 2 - V XI

dx, (-

8 - sin у // 8 - sin ун 8 - sin 90°

i -p

,Pf(9l - 62)

(4)

d X3 - dX2 (-

8 - sin у н

5 - sin 90"

,Pf(B3- 02)

(5)

8 - sin а к

d X4 = dхз (-)

8 - sin Y 'h

,Pf(93- 64)

(6)

где S - постоянная, равная 1 + Л / D; ан- начальный угол дуги захвата; а г - конечный угол дуги захвата; ун ,Ун' ~ нейтральные углы; 0- коэффици ент, зависящий от угла захвата; /- коэффициент зрения.

в(а) = (2S/VS2 - I') -orctgf (8 tg(a/2J-i ) / V52 - ¡' ] - а (7; Подставляя последовательно в формулу 6 значения ó¡,(j 2,(j з, определенные по формулам 3 - 5, получим значение Р, в зависимости от удельных напряжений на входе и выходе го рабочей зоны вальцов

(8 - sin ан) ( 5-sin а к) d хк

1п - - 1п -

(8-1)2 ÓXH

Р=- (8)

(8 - sin ан) ( 8-sin а к)

ln - + f(90 - 261 + 29 2 + 29з f 04)

(8-1)2

Зная величину Д можно определить значения удельных давлений рх на вальцы в зависимости от угла захвата материала ан ^ <* < а к - Для расчета удельных давлений на поверхность вальцов, имеющих разные угловые скорости, можно использовать формулы 3-8, заменяя значения углов а и коэффициента трения / средними их значениями а сг . /сг для двух ватьцов.

При равномерном установившемся движении за определенный промежуток времени быстровращающийся валец проходит путь от момента захвата (точка А / ) до момента выхода материала из рабочей зоны (точка С ¡) (рис. 2). На этом же участке медленновращающийся валец проходит за тот же промежуток времени путь, равный А 2 С 2- Из схемы видно, что быстровращающийся валец опережает медленновращающийся на длину дуги с ¡ С 2 или длину дуги, на которой происходит смещение слоев корма в рабочем пространстве вальцов относительно друг друга L сд Величина этой дуги определится из выражения

L сд - [ Lд з ■ (К(0 -1 )] IКш (9)

где L д з - длина дуги захвата; К ш - коэффициент, показывающий отношение угловых скоростей ватьцов, К а = т ¡Ico 2.

Для того, чтобы найти затраты энергии на обработку грубого корма давлением путем прокатки через вальцовую пару, необходимо определить момент на валу двигателя для привода вальцов. Он определится из выражения

M да = M Лр / i +- M тр + Мхол + M mm , ПО)

где M m - момент прокатки, т.е. тот момент, который требуется для преодоления сопротивления деформации прокатываемого материала и возникающих при этом сил трения материала о вальцы; i - передаточное отношение привода вальцов; M Тр - момент добавочных сил трения без учета момента, требующегося на вращение вальцов при холостом ходе; Mхол - момент холостого хода; M дин - динамический момент на валу двигателя.

Мощность, необходимая для привода вальцов, найдется по формуле

N да = Мдв ■ (О ВАГ СР. и ■ rj ПЕР , (11)

где со вал ср. - средняя угловая скорость вальцов;

г] ПЕр - коэффициент полезного действия передачи.

Производительность совместно работающей пары вальцов определяется из выражения

Qba. 7 = Рм ■ Ьвлл ■ ¥ ■ У CP • А , (12)

где pu - объемная масса материала; L нач - длина вальцов; у - коэффициент объемного заполнения зоны деформации; V Ср~ условная средняя скорость движения материала в зоне деформации; А - минимальный зазор между вальцами.

2.4. В четвертом разделе "Исследование процесса обработки грубого корма в лабораторных условиях" изложена их программа и методика, приведено описание лабораторной установки, оборудования и приборов, представлены результаты экспериментов.

Для того, чтобы определить качество обработки грубых кормов давлением после анализа выполненных по данной проблеме исследований, был предложен способ опенки, основанный на впитывании обработанным и необработанным кормом различного количества влаги. Данный способ основывался па физическом законе, который предполагает, что с увеличением поверхностной площади материала увеличивается и его поглотительная способность по отношению к влаге. Проведенные эксперименты подтвердили это предположение и позволили выявить следующее. Степень разрушения клеточной структуры грубых кормов

предлагается определять по коэффициенту впитывания, который рассчитывается по формуле

К в = (т„ - т с) /тс (13)

где т„ — масса грубого корма с впитавшейся в него водой; т с - масса сухого грубого корма.

Чтобы определить коэффициент впитывания, достаточно брать образцы грубого корма массой 5 г и выдерживать их в воде 15 минут. Если коэффициент впитывания воды будет равным 2,7 - 3,0, то можно считать, что корм прошел необходимую обработку, так как даже при значительно большей выдержке К в повышается незначительно.

Технологические условия процесса обработки грубого корма давлением путем пропускания их через вальцовую пару зависят в первую очередь от зазора между вальцами, окружной скорости ватьцов и скорости подачи материала.

С целью определения оптимальных значений этих величин сначала были проведены однофакторные, а затем на их основе и по априорной информации был проведен многофакторный эксперимент по трехуровневому плану Бокса-Бенкена. После обработки на ПЭВМ 1ВМ РС были получены следующие уравнения регрессии для коэффициента впитывания Кв и удельной энергоемкости процесса обработки грубого корма давлением А.

Кв = 3,25 + 0,304 Л + 0,048 У в + 0,035 Ум + 0,127 А2 + + 0,004 Ув2+ 0,484 Vм7 + 0,046 А V к - 0,997 А У м - 0,193 УвУм, (14

А = 3,23 - 0,47 А +0,04 Ув + 0,72 Ум - 0,42 А2 + + 0,56 Ув2 + 1,34 Ум2-0,15 А Ув + 0,33 УМА - 2,18 Ув Ум, (15

где А - зазор между вальцами, мм; V в - окружная скорость вращения вальцов, м/с; У у - скорость подачи материала, м/с.

На рисунке 4 приведены графические зависимости изменения удельной энергоемкости А и коэффициента впитывания воды по экспериментатьным моделям от, соответственно, изменения зазора А, окружной скорости вращения ватьцов V в и скорости подачи материала Vм.

Кв

3,20 3,15 3/0 3,05

и

0,6 О/

0,8

л кВт-х п, т

V

з,о

2,9 2,8

О,В Д

мм

а)

к.

№

3,11 321

л

*

к*

5,20 3/5 3,10

кдт-х

цо 1,15 б) 1,30 1,35

Д т 3,1

3,0

2,9

А

3,10

КВт-Х т

1,03 1,05 {07 1,09 1/1 УмМ;с

3,05 10

В)

Рис. 4 Графические зависимости энергоемкости А и коэффициента впитывания воды К в от: а) зазора между вальцами А; б) скорости вращения вальцов V вв) скорости подачи материала V

Анализ уравнений 14,15 методом частных производных позволил опреде лить оптимальные параметры опытно-производственной установки для обработки грубых кормов давлением: минимальный зазор между вальцами 0,6 -0,8 мм; окружная скорость вращения вальцов 1,3 - 1,35 м/с; скорость подачи м; териала к вальцам 1,03 - 1,1 м/с. При этом коэффициент впитывания воды раве 3,16 - 3,27, а удельный расход энергии 2,92 - 3,15 кВт-ч/т.

2.5. В пятом разделе "Исследование процесса обработки грубых кормов давлением в условиях производства и эффективность его использования" изложены программа, методика, условия и результаты исследования, приведено описание технологической линии для обработки грубого корма давлением и ре зультаты расчетов экономической эффективности.

Производственные испытания установки проводились в учхозе "Степь-кино" Рязанской ГСХА. Обработанный на установке грубый корм скармливалс ремонтному молодняку КРС.

В результате испытаний установлено, что устройство для обработки грубого корма давлением путем пропускания их через вальцовую пару является вполне работоспособным. Обработанный давлением грубый корм поедается животными на 13,3% лучше, чем необработанный. Экономический эффект от внедрения линии для обработки грубых кормов давлением вместо ЛИС-З соста вит 3704 рубля в год для фермы КРС по производству говядины на 800 голов, только от экономии корма При данной обработке практически сохраняется длина частиц, соответствующая зоотехническим требованиям.

Общве выводы и рекомендации производству

На основании выполненных исследований по обработке грубых кормов давлением путем пропускания их через вальцовую пару и использованию их в кормлении жвачных животных можно сделать следующие выводы и предложения производству.

1. Современные способы повышения использования энергетического потенциала грубых кормов либо несовершенны, либо требуют для своего осуществления больших затрат средств, труда и энергии. По предлагаемому способу обработку грубых кормов перед скармливанием рекомендуется проводить давлением путем пропускания через вальцовую пару. При этом увеличивается по-

верхностная площадь частиц за счет разрушения клеточной структуры стеблей, что обеспечивает лучшую поедаемость корма и переваримость питательных веществ микрофлорой рубца жвачных.

2. Качество обработки грубых кормов давлением следует определять по коэффициенту впитывания воды. Для разнотравного сена и пшеничной соломы он должен быть в пределах 2,7 - 3,0. При этом достаточным давлением для разрушения клеточной структуры стеблей грубого корма путем пропускания их через вальцовую пару следует считать 20 - 30 МПа.

3. Конструктивно-технологическая схема установки для обработки грубых кормов давлением должна содержать механизм дозированной подачи корма, измельченного до заданных размеров частиц, вальцовую пару со встречным вращением вальцов и механизм для отвода готового продукта. Рабочий процесс необходимо организовывать таким образом, чтобы грубый корм подавался в рабочую зону вальцов равномерным слоем, захватывался в&тьцами, сжимался до частичного разрушения клеточной структуры при сохранении размеров частиц и отводился за пределы вальцовой пары.

4. Установлено, что относительный сдвиг слоев в сечении стебля ведет к более глубокому разрушению клеточной структуры и увеличению поверхностной площади частиц. Для достижения этого эффекта частота вращения вальцов должна быть дифференцированной и коэффициент дифференциации предлагается устанавливать в пределах от 1,5 до 2.

5. Исследования в лабораторных условиях позволили установить, что для соломы пшеницы минимальный зазор между вальцами должен составлять

0,6 - 0,8 мм, окружная скорость вращения вальцов 1,3 - 1,35 м/с, скорость подачи материала 1,03 - 1,1 м/с. При этом удельный расход энергии составит 2,92 - 3,15 кВт • ч/т, производительность установки 0,86 т/ч на 1 м длины вальцов, а коэффициент впитывания воды находится в пределах 3,16 - 3,27.

6. Производственные испытания подтвердили работоспособность установки для обработки грубых кормов давлением. Опыты по обработке грубосте-бельного сена давлением показали, что при зазоре между вальцами 0,7 мм, их окружной скорости 1,31 м/с и скорости подачи материала 1,03 м/с обеспечива-

ется производительность 0,77 т/ч на 1 м длины вальцов при затратах энергии 2,3 кВт ■ ч/т и коэффициенте впитывания 2,73.

7. Опытами но скармливанию грубостебельного сена молодняку крупного рогатого скота установлено, что обработанный давлением грубый корм поедался на 13,3%, чем необработанный, а количество несъеденных остатков уменьшилось на 9,3%.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах автора:

1. Анализ способов подготовки соломы к скармливанию жвачным животным // Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве. Сб. науч. трудов. - Санкт-Петербург, 1996.

2. Линия для измельчения и обработки грубого корма давлением // Творческое наследие П. А. Костычева и его развитие в современном земледелии /Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Рязань, 1996. Соавторы: Некрашевич В.Ф., Каширина Л.Г., Ланьшин В.О.

3. Обработка грубого корма давлением на вальцовой установке // Сб. науч. трудов. - Рязань, 1996. Соавторы: Некрашевич В.Ф., Челышев C.B.

4. Способы определения качества обработанных грубых кормов // Сб. науч. трудов. - Рязань, 1996. Соавтор Коновалов В.В.

5. Исследование физико-механических свойств стеблей соломы // Сб. науч. трудов. - Рязань, 1996. Соавтор Некрашевич В.Ф.

6. Исследование процесса обработки грубых кормов давлением в производственных условиях 1! Сб. науч. трудов, поев. 60-летию Рязанской обл. - Рязань, 1997. Соавторы: Некрашевич В.Ф., Воробьева И.В.

7. Экспериментальное исследование процесса обработки грубых кормов давлением // Сб. науч. трудов, поев. 60-летию Рязанской обл. - Рязань, 1997. Соавторы: Некрашевич В.Ф,, Гришин Г.И.

8. Теоретические предпосылки к обоснованию способа обработки грубых кормов давлением путем пропускания их через вальцовую пару // сб. науч. трудов, поев. 60-летию Рязанской обл. - Рязань, 1997. Соавтор Некрашевич В.Ф.

9. Перспективный способ обработки грубых кормов // Овцы, козы, шерстяное дело. Научно-произв. журнал, 1998, № 1. Соавторы: НекрашевичВ.Ф., Ульянов В.М., Ляшенко В.В.

10. Устройство для обработки грубых кормов // Техника и оборудование для села. Научно-произв. журнал, 1998, № 4. Соавторы: Некрашевич В.Ф., Ульянов В.М., Ляшенко В.В.

11. Устройство для механической обработки грубых кормов. Описание полезной модели к свидетельству РФ № 6107. Соавтор Некрашевич В.Ф.

12. Оценка качества обработки грубого корма // Механизация и электрификация сельского хозяйства Научно-метод. журнал, 1998, Л1» 4. Соавторы: Некрашевич В.Ф., Ульянов В.М., Ляшенко В.В.

13. Совершенствование технологии и оборудования для обработки грубых кормов // Проблемы переработки сельскохозяйственной продукщш и лекарственного сырья / Материалы Всероссийской научно-иракпгческой конференции. - Пенза, 1998. Соавторы: Некрашевич В.Ф., Зкмняков В.М.

; РЯЗАНСКИЙ ОМАСНОЗ Г ЖЩРСТВЕНВОЙ СЬ' г», л" Ь хп ш. /ро

У -

г/ /

л'

4 • Ч,

У ..г «9 / / *

Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора П.А, Костычева

На правах рукописи

КОВАЛЕВ Андрей Иванович

СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГРУБОГО

КОРМА ДАВЛЕНИЕМ С ОБОСНОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ И

РЕЖИМОВ ЕЕ РАБОТЫ

Специальность 05.20.01 -механизация сельскохозяйственного производства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

- заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В.Ф, Некрашевич

- кандидат технических наук, доцент В.М. Зимняков

Рязань -1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.... 8

1.1. Эффективность использования грубых кормов в кормлении сельскохозяйственных животных.................................................................. 8

1.2. Анализ существующих способов подготовки грубых кормов к скармливанию животным............................................................................. 10

1.3. Анализ средств механизации подготовки грубых кормов к скармливанию.24

1.4. Анализ выполненных исследований по обоснованию способов и

средств для обработки грубых кормов давлением.......................................35

1.5. Постановка проблемы и задачи исследований............................................. 45

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУБЫХ КОРМОВ.................48

2.1. Программа и методика исследований...........................................................48

2.1.1. Программа исследований...........................................................................48

2.1.2. Методика определения размерных характеристик грубых кормов........... 50

2.1.3. Методика определения сопротивления сжатию стеблей грубых кормов.. 51

2.1.4. Методика определения влияния степени сжатия на разрушение клеточной структуры грубого корма.............................................................................53

2.1.5. Методика определения объемной массы соломы в зависимости от степени разрушения ее структуры........................................................................,... 53

2.2. Обработка опытных данных и оценка точности результатов...................... 54

2.3. Результаты исследования физико-механических свойств грубых кормов .. 56

2.3.1. Результаты исследования размерных характеристик................................56

2.3.2. Результаты исследования сопротивления сжатию стеблей...................... 57

2.3.3. Результаты исследования влияния степени сжатия на разрушение клеточной структуры корма........................................................................59

2.3.4. Результаты исследования объемной массы соломы .................................60

Выводы..................................................................................................................62

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ СПОСОБА ОБРАБОТКИ ГРУБОГО КОРМА ДАВЛЕНИЕМ.......................................... 63

3.1. Конструктивно-технологическая схема установки для обработки грубого корма давлением..............................................................................63

3.2. Обоснование геометрических параметров вальцовой пары и зазора между вальцами.............................................................................................68

3.3. Обоснование кинематических параметров вальцов .....................................73

3.4. Удельные давления на поверхность вальцов при прокатке грубого корма..84

3.5. Определение энергозатрат на обработку грубого корма давлением...........91

3.6. Теория сжатия тонкостенной трубы.............................................................95

Выводы.................................................................................................................96

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ГРУБОГО КОРМА

В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ ..................................................................98

4.1. Программа и методика исследований..........................................................98

4.1.1. Программа исследований..........................................................................98

4.1.2. Методика разработки способа оценки качества обработки грубых кормов давлением путем пропускания их через вальцовую пару.............98

4.1.3. Описание лабораторно-производственной установки............................ 102

4.1.4. Определение производительности установки......................................... 104

4.1.5. Определение энергоемкости процесса обработки грубого корма давлением................................................................................................... 105

4.2. Результаты опытов по определению показателя качества обработки грубых кормов давлением............................................................................105

4.3. Выбор факторов, влияющих на качество обработки грубых кормов давлением...................................................................................................... 107

4.4. Построение экспериментальной модели обработки грубого корма давлением путем пропускания через вальцовую пару................................110

4.5. Анализ результатов экспериментальных исследований............................ 113

Выводы................................................................................................................ 116

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ГРУБЫХ КОРМОВ ДАВЛЕНИЕМ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ............................................117

5.1. Программа и методика производственных испытаний............................. 117

5.2. Результаты производственных испытаний установки для обработки грубых кормов давлением путем пропускания их через вальцовую пару... 118

5.3. Предлагаемая схема технологической лилии для обработки грубых

кормов давлением путем пропускания их через вальцовую пару..............120

5.4. Внедрение и апробация результатов исследований...................................123

5.5. Экономическая эффективность от использования устройства для обработки грубых кормов давлением.........................................................123

Выводы............................................................................................................... 127

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ......................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................. 130

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................139

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России развитие такой отрасли сельского хозяйства, как животноводство, связано с целым рядом трудностей. В нашей стране эта отрасль, впрочем, как и все сельское хозяйство, требует значительного технического перевооружения с целью перехода к машинному способу производства продукции на промышленной основе. Для этого необходимо повысить уровень механизации производственных процессов, полностью автоматизировать отдельные операции (приготовление кормов, их раздачу и другие), увеличить выпуск машин и установок для принципиально новых технологий, обеспечить создание поточно-технологических линий.

С другой стороны, недостаток материальных, трудовых и энергетических ресурсов у сельскохозяйственных предприятий России делает невозможным применение энерго- и трудоемких способов производства продукции. Поэтому необходимо стремиться к увеличению выпуска продукции животноводства, сводя затраты на это к минимуму.

Одной из главных задач, стоящих перед животноводством, является развитие и укрепление кормовой базы, улучшение качества кормов и сокращение затрат на их производство. Для решения этой задачи необходимо совершенствование существующих и разработка новых способов производства кормов.

В условиях постоянно растущего в последнее время в России дефицита кормов, в том числе и грубых, использовать их необходимо как можно эффективнее. Эффективность же использования любого корма зависит прежде всего от того, насколько увеличивается количество полученной животноводческой продукции, а также от величины затрат на его производство.

Производство кормов включает в себя следующие этапы: заготовка, хранение, подготовка к скармливанию животным. Снижение потерь питательных веществ и повышение коэффициента использования их животными на любом из этих этапов позволяет эффективнее использовать корма.

Грубые корма не являются исключением и проходят все указанные этапы на пути от поля к животному. Необходимо также отметить, что такой распространенный грубый корм, как солома, является по сути дела отходом в произ-

водстве зерна. Его производство не требует увеличения посевных площадей за счет других культур.

При производстве грубых кормов наиболее значимой является подготовка их к скармливанию сельскохозяйственным животным. Поедаемость и переваримость грубых кормов из-за большого содержания в них инкрустирующих веществ довольно низкие. Поэтому скармливать их в необработанном виде не рекомендуется. Во всем мире грубые корма подвергают обработке перед скармливанием скоту. Специальная обработка позволяет значительно повысить как поедаемость, так и переваримость грубых кормов.

Однако существующие технологии не всегда возможно применить в условиях сельскохозяйственных предприятий России. Одни из этих технологий или способов достаточно сложны, другие требуют значительных затрат труда и энергии, третьи во многом зависят от качества исходного сырья или требуют специального дорогостоящего оборудования.

По данным зоотехнических исследований энергетический потенциал сена в лучшем случае используется животными на 52%, а соломы не более 34% [ 1 ]. Повышения использования энергетического потенциала грубых кормов достигают, как правило, введением в кормовые смеси различных добавок, обеспечивающих повышение переваримости. Однако не разработаны способы обработки кормов, которые способствовали бы улучшению процесса переваривания за счет микроорганизмов, содержащихся в рубце жвачных животных.

Целью настоящей работы является повышение эффективности использования животными энергетического потенциала грубых кормов путем их специальной обработки, данная обработка обеспечивает частичное разрушение клеточной структуры грубых кормов путем пропускания их через вальцовую пару, а также создания установки для ее осуществления.

Народнохозяйственное значение выполненной работы заключается в том, что предложенный способ и устройство могут повысить эффективность использования грубых кормов в кормлении жвачных животных. А это является значи-

СУ у«— с»

тельным резервом пополнения кормовой базы, который позволит увеличить выход продукции животноводства.

Основными полученными научными результатами являются предложенная технология обработки грубых кормов, включающая его обработку давлением с целью частичного разрушения клеточной структуры, полученные физико-механические свойства, разработанная конструктивно-технологическая схема обработки грубых кормов давлением, предложенный способ оценки качества обработки грубого корма давлением по впитыванию им воды, оптимальные режимы работы оборудования.

На защиту выносятся:

1 - способ обработки грубых кормов давлением перед скармливанием сельскохозяйственным животным путем пропускания их через вальцовую пару;

2 - конструктивно-технологическая схема устройства для обработки грубых кормов давлением и его теоретическое обоснование;

3 - способ оценки качества обработки грубых кормов давлением;

4 - обоснованные оптимальные параметры и режимы работы установки для обработки грубых кормов давлением;

5 - результаты эффективного использования грубых кормов, обработанных давлением.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю профессору Некрашевичу В.Ф., сотрудникам кафедры механизации животноводства и проблемной научно-исследовательской лаборатории гранулирования и брикетирования кормов Рязанской ГСХА, оказавшим помощь в научных исследованиях и подготовке диссертации к защите.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Эффективность использовании грубых кормов в кормлении

сельскохозяйственных животных

До недавнего времени в большинстве стран мира придерживались теории преимущественного кормления крупного рогатого скота (КРС) концентрированными кормами. Однако растущие потребности в зерне, его высокая цена и большой спрос изменили отношение к этому продукту. Поэтому в кормовом балансе животноводства важное значение приобретают грубые корма. К грубым кормам относятся сено, солома, полова, мякина, гуменные отходы и некоторые другие. Наиболее часто на корм скоту используется сено или солома. Сено -важнейший компонент рациона для обеспечения полноценного кормления жвачных животных в зимний период. В 1 кг сена 1-го класса содержится 0,45-0,55 кормовых единиц, 65-80 г переваримого протеина, не менее 30 мг каротина [ 1 ]. Такое сено богато витаминами групп В, Д, Е, минеральными и другими элементами питания. Солома, которая по сути дела является отходом производства зерна, при кормлении скота также имеет большой удельный вес. Наибольшее значение в кормовом отношении имеет солома злаков (овсяная и ячменная). Солома бобовых используется незначительно. Гороховую и вико-овся-ную солому после измельчения лучше использовать в качестве добавки при силосовании кормов с высокой влажностью. В 1 кг соломы содержится 0,15-0,4 кормовых единиц, 7-60 г переваримою протеина, 1-10 мг каротина [ 2 ]. В зависимости от типа кормления, грубые корма занимают в рационах животных от 13 до 32% [ 1 ]. Однако в неподготовленном состоянии они (особенно солома) имеют малую питательную ценность, плохо поедаются животными и практически не обеспечивают повышения продуктивности.

По данным Национального научного совета США [ 3 ] при скармливании соломы в организм животного поступает 95% энергии, получаемой от такого же количества сена из разнотравья.

Как известно, зерновые культуры дают приблизительно одинаковое количество (по массе) зерна и соломы. Энергия, заключенная в соломе, довольно близка к энергии зерна, приблизительно 18,4 МДж в 1 кг сухого вещества. Однако, из-за наличия в ней большого количества клетчатки с безазотистыми экстрактивными веществами (60-70% от массы соломы), лигнина - 16-30% и 2,2-3% кутана (от массы клетчатки [ 4 ]) она относится к кормам, имеющим низкую переваримость [ 5, 6, 7, 8 ]. Валовая энергия необработанной соломы используется животными всего лишь на 30-50% [9].

Сено по своим кормовым достоинствам стоит значительно выше соломы. Его получают естественным или искусственным высушиванием травы до такого состояния, при котором растительная масса может без порчи сохраняться продолжительное время (влажностью 14-17%). Высушивание должно проводиться так, чтобы сено получилось зеленого цвета, с хорошим ароматом, без пыли и плесени, с минимальными потерями листочков и других нежных частей растений. Хорошо приготовленное сено богато минеральными веществами, хорошо переваривается животными.

Довольно эффективно последнее время используются такие виды грубого корма, как травяная мука, травяные, а также соломенные гранулы или брикеты. Однако, несмотря на малые потери питательных веществ (3-8%) [ 10 ], большой расход энергии на высушивание, измельчение и прессование не позволяют широко внедрять в производство эти виды кормов.

Практически грубые корма отличаются от зерновых и сочных прежде всего тем, что они содержат в больших количествах сложный углевод - клетчатку. Поэтому грубые корма можно назвать углеводными.

Низкую питательную ценность грубых кормов обычно связывают с высоким содержанием в них клетчатки. Кельнером [11] было установлено, что 1 кг сырой клетчатки грубого корма снижает его переваримость, выраженную в продуктивном действии, на 1,36 ККал.

Таким образом, использование грубых кормов на корм сельскохозяйственным животным имеет значительные резервы и вопрос о рациональном использовании данного вида корма требует всестороннего изучения.

1.2. Анализ существующих способов подготовки грубых кормов

к скармливанию животным

Из всех видов существующих грубых кормов практически только солома должна непременно подвергаться различным видам обработки для повышения ее питательности, поедаемости и переваримости. Так, сено на практике подвергается только измельчению, травяная мука и травяная резка - гранулированию или брикетированию.

Ограниченное использование соломы на корм скоту объясняется прежде всего тем, что она плохо поедается и переваривается животными. Плохая по-едаемость соломы объясняется ее грубоволокнистой структурой, трудно разрушающейся в процессе пережевывания. На низкую переваримость соломы прежде всего влияет содержание инкрустирующих веществ (лигнин, кутин и др.).

Состав и питательная ценность некоторых видов грубых кормов Рязанского района. Рязанской области приведены в таблице 1.1 [ 12 ].

На данный момент современной наукой предлагается целый ряд способов повышения поедаемости и переваримости соломы.

Основными целями обработки соломы являются:

- увеличение потребления корма животными и снижение его отхода;

- снижение затрат энергии на процессы пережевывания и переваривания;

- улучшение вкусовых свойств;

- снижение активности токсических веществ грибов и плесени;

- увеличение переваримости питательных веществ.

Все существующие способы обработки соломы можно объединить в три основные группы: химические, биологические и физико-механические.

Большое внимание уделяется химическим способам обработки соломы. Данные способы позволяют изменить химический состав корма и тем самым повысить перева�