Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние механизации процессов приготовления и раздачи кормов и задачи научного исследования 7
1.1. Кормовые смеси и требования к их приготовлению 7
1.2. Современные технологии приготовления и раздачи кормов на фермах крупного рогатого скота 11
1.3. Анализ конструкций смесителей-раздатчиков кормов 24
1.4. Обзор исследований по измельчению грубых кормов 40
1.5. Цель и задачи научного исследования 47
2. Теоретические исследования процесса измельчения грубых кормов рабочими органами из мельчителя-смесителя-раздатчика кормов 49
2.1. Обоснование необходимости разработки мобильного из мельчителя-смесителя-раздатчика кормов 49
2.2. Разработка конструктивно-технологической схемы агрегата.. 51
2.3. Модели функционирования мобильного измельчителя-смесителя-раздатчика кормов 54
2.4. Экспериментально-теоретические исследования процесса измельчения рулонированных грубых кормов 57
2.4.1. Теоретические исследования процесса измельчения стебельчатой массы шнековыми рабочими органами... 57
2.4.2. Теоретические исследования динамических характеристик рабочего процесса при измельчении рулонированных грубых кормов 61
3. Программа и методика экспериментальных исследований 69
3.1. Программа экспериментальных исследований 69
3.2. Приборы, устройства и оборудование для исследования процессов измельчения, смешивания и раздачи кормов 69
3.3. Методика проведения эксперимента 71
3.3.1. Общая методика проведения исследований 71
3.3.2. Методика определения физико-механических свойств кормовых компонентов 72
3.3.3. Методика определения однородности кормовой смеси 74
3.4. Выбор критериев оптимизации и основных показателей про
цессов измельчения, смешивания и раздачи кормов 76
3.5. Методика проведения активно-пассивного эксперимента 77
4. Результаты экспериментальных исследований мобильного измельчителя-смесителя-раздатчика кормов 79
4.1. Предварительные исследования агрегата 79
4.2. Исследования рабочего процесса агрегата при измельчении рулонов грубых кормов методом активно-пассивного эксперимента 83
4.3. Исследование влияния положения противорежущей гребенки на основные показатели работы 92
4.4. Исследование рабочего процесса агрегата в режиме "смеситель" 97
4.5. Исследование влияния диаметра несущего вала шнека на процесс измельчения грубых кормов 102
4.6. Оптимизация параметров работы машины в режиме "измельчитель" методом активного эксперимента 111
4.7. Проверка работы измельчителя-смесителя при оптимальных настроечных параметрах 116
Выводы 118
5. Оценка эффективности работы измельчителя-смесителя-раздатчика кормов 119
Общие выводы 126
Литература 128
- Современные технологии приготовления и раздачи кормов на фермах крупного рогатого скота
- Модели функционирования мобильного измельчителя-смесителя-раздатчика кормов
- Приборы, устройства и оборудование для исследования процессов измельчения, смешивания и раздачи кормов
- Исследование влияния положения противорежущей гребенки на основные показатели работы
Современные технологии приготовления и раздачи кормов на фермах крупного рогатого скота
В структуре себестоимости молока, мяса и других продуктов затраты на приготовление и раздачу кормов составляют более 60 %. От качества и подготовки их к скармливанию во многом зависит эффективность работы животноводческих ферм и комплексов.
Согласно исследованиям ученых, животные усваивают лишь 20.. .25 % содержащихся в корме питательных веществ, примерно 30 % расходуется на физиологические нужды, а остальная выделяется вместе с отходами. Поэтому основной задачей переработки и приготовления кормов к скармливанию является уменьшение этих потерь путем улучшения переваримости, питательности и усвояемости кормов [30, 36].
Правильное приготовление кормов повышает их усвояемость, сокращает расход энергии на жевание, предупреждает заболевание, уничтожает вредное воздействие некоторых кормов на организм животных.
В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом установлено, что лучше скармливать корм в виде сбалансированной кормосмеси с заданной питательной ценностью. Простое смешивание грубых и сочных кормов обеспечивает повышение продуктивности на 2,5 %, а приготовление полнорационных кормовых смесей с добавлением необходимых минеральных веществ и добавок - на 18...24 % [100].
Ученые установили, что использование кормовых смесей позволяет сократить число используемой техники, упростить кормораздачу и повысить эффективность использования кормов. Данный метод дает ряд преимуществ, главными из которых являются [35]: - на 10... 15% возрастает эффективность использования всех видов кормов рациона; - на 5...9 % повышается продуктивность коров, прирост массы молодняка - на 11.. .20%; - в смесях можно скармливать в 2 раза больше малоценных грубых кормов, чем при их раздельной раздаче, так как в этом случае животные не могут выбирать корм; - облегчается механизированная раздача корма, можно использовать любой кормораздатчик.
Установлено, что рацион кормления должен меняться почти ежемесячно, чтобы обеспечить необходимую продуктивность при изменении массы и возраста животных [15].
Для того, чтобы компоненты кормосмеси (грубые и сочные корма, концкорма) более полно усваивались животными, обладали соответствующими технологическими свойствами, для удобства транспортирования, дозирования и смешивания их предварительно измельчают.
Все кормовые смеси должны быть свежеприготовленными, обладать приятными для животных вкусовыми качествами и не иметь в своем составе веществ, которые могут вызывать неприятный запах и отравления. Согласно [10] величина частицы измельченной соломы при использовании ее в составе рассыпных кормосмесей для крупного рогатого скота должна быть в пределах 10...50 мм и составлять не менее 85 % от общей массы. Оптимальная величина частиц измельченной соломы для молодняка крупного рогатого скота и овец 10...30мм. Если величина измельченных частиц соломы меньше 6,5 мм, то при скармливании такого корма отмечается некоторое снижение жирности молока у коров.
В последнее время во многих хорошо развитых странах ведутся исследования с целью повышения питательности соломы и других нетрадиционных видов грубых кормов. На данный момент солома, как источник грубого корма используется не только в нашей стране, но и в Чехословакии, Польше, Дании, Финляндии, Англии и др.
Солома является важным сырьем для производства полноценных кормовых смесей, однако, без предварительной подготовки имеет невысокую питательную ценность. В соломе в большем количестве содержится клетчатка и лигнин, которые трудно перевариваются в пищеварительном тракте животных. Солома в необработанном виде плохо поедается животными, особенно, если она немного подпорчена грибками и в ней содержится большое количество половы [18, 46, 96].
По результатам исследований, проведенных американскими специалистами, установлено, что при скармливании крупному рогатому скоту не измельченных стебельчатых кормов потери питательных веществ составляют до 50 % [58]. Вследствие этого недостаточно используется ценная способность жвачных животных синтезировать с помощью микрофлоры высококачественный белок из грубых кормов, а также небелковых азотистых соединений. Содержание 15 % сырого протеина в сухой массе рациона достаточно, чтобы удовлетворить потребность высокопродуктивных коров в белке. Поэтому для того, чтобы чистая энергия рационов с большим содержанием грубых кормов использовалась значительно лучше, изменяют физико-механическое состояние структуры корма, то есть солому измельчают. Исследованиями доказано, что критическая величина частиц грубого корма должна быть в 10...30 раз больше размеров клетчатки, которая находится в содержимом книжки животных [36, 64, 42]. Значительно улучшает переваримость и повышает питательную ценность расщепление соломы вдоль волокон, в таком виде она становится более доступной микроорганизмам, находящимся в пищеварительном тракте животных, легче пережевывается [45, 68].
Модели функционирования мобильного измельчителя-смесителя-раздатчика кормов
Смесители с двумя шнеками, работающие по принципу "крот", способны выполнять операции по приготовлению компоста зеленой массы. Оценивая качество смешивания и время, необходимое для приготовления кормосмеси, смесители, работающие по принципу "цикл", имеют преимущество. Вместе с тем измельчающие органы влияют на затрачиваемую мощность при приготовлении кормосмеси. Каждый дополнительный шнек увеличивает время, затрачиваемое на работы по техническому обслуживанию и устранение неисправностей [107].
По взаимному расположению рабочих органов (шнековых рабочих органов) в бункере они подразделяются на раздатчики с одним, двумя, тремя и четырьмя шнеками (рис. 1.9). Рабочие органы машин могут быть выполнены в виде шнеков или валов с лопастями установленными по винтовой линии.
Для расширения функциональных возможностей агрегата по наружному краю винтовой линии шнеков в смесителях-раздатчиках устанавливают ножи различной формы, а для повышения эффективности измельчения грубых кормов на днище или стенках бункера - противорезы (рис. 1.11). Ножи изгоговливают в виде пластин с заточенной рабочей гранью [81].
Рабочую грань ножа выполняют прямолинейной или криволинейной формы с зубчатой насечкой или без нее. Ножи с прямолинейным лезвием просты в изготовлении. Однако ножи с криволинейным лезвием и зубчатой насечкой более прочны и уменьшают вероятность попадания инородных тел в зону измельчения. Они эффективнее измельчают корма, при этом затрачиваемая мощность снижается. Большой интерес представляют ножи, установленные на шнеках смесителя-раздатчика фирмы "SEKO" (рис. 1.11, ё). Ножи звездообразной формы шарнирно закреплены на винтовой линии шнека и вращаются относительно оси крепления во время работы, тем самым достигается хорошее качество измельчения.
Противорезы могут быть выполнены в виде установленных на стенке и днище бункера молотков ("Tatoma", Labrador фирмы "Storti") или лезвий (Optimix фирмы"Alfa Laval Agri"). При двух шнеках, расположенных в донной части бункера, в качестве противорезов используют установленную между рабочими органами пластину с прорезями (Euromix II фирмы "KUHN" и KD 612-2 фирмы "Kverneland") или зубчатую гребенку (Samuray 3 фирмы "Seko"). Причем не во всех конструкциях смесителей при вращении шнеков закрепленные на их винтовой поверхности ножи проходят между элементами противорезов.
Существуют конструкции смесителей-раздатчиков, которые не снабжены измельчающими элементами, например, РСП-10 [93]. Разработкой и совершенствованием конструкций таких смесителей занимался A.M. Тищенко и другие (А.С. №1419632) . Благодаря тому, что бункер машины способен принимать наклонное положение, смешивание кормов осуществляется по принципу "цикл".
Измельчающие элементы установленные на рабочих ор-ганахсмесителей-раздатчиков кормов а - EUROMIX фирмы "KUHN"; б - DX 90/4 фирмы "JEVLIN"; в - LABRADOR фирмы "STORTI"; г - фирмы "ТАТОМА"; д - модель 7/ST фирмы "SGARIBOLDI"; е - SAMURAI 3 фирмы "SEKO"; ж - фирмы STRAUTMAN
Смесители-раздатчики данного типа могут быть оборудованы погрузочным устройством, которое выполнено в виде фрезерного барабана 2, закрепленного на опускающейся стреле (рис 1.12) [62, 82]. Устройство такой конструкции способно осуществлять погрузку силоса 4 из траншеи, при этом частично доизмельчая его. Фрезерный барабан способен измельчать и одновременно загружать прессованные или рассыпные грубые корма 3 в бункер. Однако, несмотря на универсальность такого устройства, применение фрез для загрузки кормов имеет и ряд недостатков: не способен загружать сильноуплотненный силос; возникают потери корма при погрузке из-за рассеивания; процесс загрузки протекает медленно; большое потребление мощности при загрузке стебельчатых кормов; необходимо часто проводить техническое обслуживание.
Рис. 1.12. Погрузка кормов в бункер смесителя-раздатчика фрезой: 1 - смеситель-раздатчик; 2 - фрезерный барабан; 3 - прессованные грубые корма; 4 - силос
Применение самозагружающихся кормораздатчиков рационально, если кормосмесь состоит из 2-3 видов кормов, которые загружают из силосной траншеи [31].
В сравнении со смесителями с вертикально расположенными шнеками данные машины при тех же габаритных размерах по высоте и ширине, определяющих возможность эксплуатации их в животноводческих помещениях Северо-Восточной зоны России, обладают большей вместимостью бункера (почти на 25 %) [97]. С точки зрения энергоемкости выполняемого технологического процесса смесители-раздатчики с вертикальными шнеками необходимо агрегатировать с энергетическим средством большей мощности, так как для запуска их в работу необходим большой пусковой момент и пре 37
Для интенсификации процесса смешивания в смесителях-раздатчиках с одним горизонтальным шнеком на вертикальной стенке бункера устанавливают активирующие рычаги. Например, в кормораздатчике фирмы "Sgariboldi" установлен качающийся планчатый рычаг, а в раздатчике фирмы "Tatoma" - два вращающихся планчатых активатора.
Сравнивая технические характеристики и конструктивные параметры серийно выпускаемых за рубежом машин с вертикальными и горизонтальными шнековыми рабочими органами, видно, что размеры по высоте у первой группы значительно больше (для раздатчиков с объемом бункера 9... 10 м3 он составляет более 2,7м (вертикальный шнек) и 2,3...2,4м (горизонтальный шнек)). С точки зрения затрачиваемой мощности, приходящейся на 1 м3 вместимости бункера, для работы смесителей с горизонтальными шнеками необходимо 4...5,8 кВт, а с вертикальными - 4,5 ...6,2 кВт. Металло-емкость первой группы машин составляет 400...460 кг/м , второй -З20...390кг/м3 (табл. 1.1).
В 2001 г. Подольской МИС были проведены сравнительные испытания измельчителей-смесителей-раздатчиков кормов SOLOMIX 10 ZK (г. Коломна) с вертикальным шнеком и ИСРК-12 (Белоруссия), имеющего конструкцию с двумя горизонтальными шнеками [19], результаты которых представлены в таблице 1.2.
Приборы, устройства и оборудование для исследования процессов измельчения, смешивания и раздачи кормов
Для определения средней длины стеблей исходных материалов среднюю пробу отбирали таким образом, чтобы она характеризовала всю партию. Отдельные отборы для составления средней пробы производились не менее, чем в десяти разных местах, после чего отобранный материал выкладывали на брезент или полиэтиленовую пленку тонким слоем и перемешивали. При этом контролировали наличие примесей.
Из перемешанной массы отбирали из разных мест около 0,2.. .0,5 кг материала и сразу помещали в полиэтиленовый мешок и плотно завязывали. Каждая проба снабжалось этикеткой.
Однородность кормовой смеси является одним из основных зоотехнических требований при подготовке полнорационных кормовых смесей к скармливанию, ее выражают числом, отражающим степень приближения действительного распределения концентрации какого-нибудь компонента в смеси - идеальному распределению.
Качество смешивания оценивали по распределению контрольного компонента, которым являлись целые зерна ячменя, так как концентрированные корма - наиболее ценная часть. При этом обеспечивается простота их учета. Анализ исследований процесса смешивания показывает, что наибольшее распространение в качестве оценочного показателя получил коэффициент вариации, который рассчитывается по выражению [22, 33, 34]:
Отбор проб производили равномерно от массы кормосмеси из разных мест бункера в количестве 10 массой равной 200 г, что является достаточным для достоверной оценки однородности смеси [84]. Пробы помещали в полиэтиленовые пакеты, плотно завязывали и привязывали этикетку с номером опыта. Затем пробу разбирали вручную, отделяя целые зерна, пересчитывая их массу к исходной влажности, после чего рассчитывали однородность смеси в данном опыте.
На основании экспериментальных данных строили графики кинетики смешивания, по которым определяли время смешивания до степени однородности, удовлетворяющей зоотехническим требованиям. 3.4. Выбор критериев оптимизации и основных показателей процессов измельчения, смешивания и раздачи кормов
При проведении активно-пассивного эксперимента широкое применение находят некомпозиционные планы с варьированием факторов на двух или трех уровнях. Их использование позволяет повысить точность результатов исследования, а также сокращает время их проведения. При этом обработка экспериментальных данных проводилась с использованием программы, разработанной В.Р. Алешкиным [4], включающей метод ортогонализации Грама-Шмидта.
Плотность р и влажность W исходного материала являются неуправляемыми факторами, их значения контролировали при проведения опытов.
При построении математической модели управляемые факторы варьируют на двух или трех уровнях, неуправляемые включаются в матрицу в натуральных единицах. Для облегчения расчетов их нормируют. В опытах фиксировалось значение данного фактора в натуральных единицах измерения и для облегчения расчетов его значения , как активного фактора, нормировалось по формуле
При испытании макетного образца частоту вращения шнеков устанавливали в пределах 40...70 мин" . Привод рабочих органов осуществляли от трактора МТЗ-82. При этом агрегат был способен измельчать лишь рассыпную солому. Измельчение рулонов соломы озимой ржи показало, что для этого не хватает мощности, передаваемой В ОМ трактора. В отдельных случаях происходило заклинивание шнеков. Поэтому было принято решение снизить частоту вращения шнеков до 10...30 мин"1.
Проведенные эксперименты показали, что противорежущую гребенку необходимо выполнять сплошной по всей длине бункера (в первоначальном варианте противорезы с несущей гребенкой напротив выгрузного окна отсутствовали, что приводило к напрессовыванию соломистой массы между шнеками, в месте отсутствия противорезов). Поэтому противорежущая гребенка была выполнена сплошной по всей длине бункера.
По результатам предварительных испытаний было установлено, что при измельчении соломы ее стебли наматываются на лопатки 3 (рис. 4.2), закрепленные по концам витков шнеков в месте схождения винтовых линий напротив выгрузного окна, это приводит к заклиниванию шнеков. Лопатки
Процесс измельчения рулонов соломы агрегатом после выполнения ряда описанных выше конструктивных изменений стал протекать стабильне.
Дальнейшие испытания проводились на изготовленной экспериментальной установке, которая включала в себя бункер, внутри которого были смонтированы два горизонтально установленных шнека с элементами привода. Привод шнеков осуществлялся от приводной станции (рис. 4.6). Приводная станция включала в себя электродвигатель 1 (мощностью 37 кВт), ременную передачу 2, коробку передач 5. Для облегчения пуска электродвигателя 1 при загруженных в бункер кормах в конструктивную схему привода включена муфта сцепления 4. Для изменения частоты вращения шнеков использовали набор сменных шкивов и передаточные отношения коробки переменных передач. Общий вид приводной станции представлен на рисунке 4.7.
Выгрузку корма проводили двумя транспортерами (рис. 4.8) Привод выгрузного транспортера агрегата осуществляли электродвигателем мощностью 2,2 кВт (рис. 4.9). При исследованиях частоту вращения шнеков варьировали на трех уровнях 11, 21 и 28 мин"1. Потребляемую мощность, затрачиваемую на измельчение, фиксировали самопишущим ваттметром Н-3095. Экспериментальные исследования макетного образца ИСРК проводились при измельчении рулонов соломы озимой ржи влажностью 15.. 18 % в трехкратной повторности.
Исследование влияния положения противорежущей гребенки на основные показатели работы
Для установления оптимальных конструктивных параметров агрегата в режиме "измельчитель" были проведены исследования методом активного экспееремента в соответствии с моделью рисунка 2.4, а.
На основании результатов исследований, приведенных в разделах 4.1...4.4, определены факторы, влияющие на показатели работы агрегата, а также степень их значимости, так при расположении противорежущей гребенки в нижнем положении уменьшается время измельчения рулонов. В зависимости от сочетания факторов удельные энергозатраты могут снижаться или возрастать.
Диаметр несущего вала шнеков оказывает влияние на время измельчения рулона, потребляемую при этом мощность и качество готового продукта.
Для установления оптимальных конструктивных параметров и режимов работы проведены исследования методом активного эксперимента, методика которого изложена в работах [77, 101, 88].
Конструкция макетного образца агрегата позволяла изменять его настроечные параметры и фиксировать их на определенных уровнях. При проведении экспериментов оценивали влияние на критерии оптимизации (пропускная способность Q, удельные энергозатраты Эуд и время измельчения массы t до размера частиц 60...70 мм) следующих факторов: скорости вращения шнеков пш, уровня установки проти ворежущей гребенки /7пр0т и диаметра несущего вала шнеков ш.
На основании результатов предварительных исследований (разделы 4.1, 4.2, 4.3) интервалы и уровни варьирования факторов, которые приведены в таблице 4.4. Опыты и их обработка проводились по методике, изложенной в главе 3.
На рисунке 4.29 представлены двумерные сечения поверхностей откликов при различных сочетаниях факторов. Анализ двумерного сечения (рис. 4.29, а) показывает, что максимальная производительность (yi) достигается при диаметре несущего вала шнека (х4), равным 250 мм, и нижнем положении противорезов (л з), при этом энергозатраты (у2) также имеют минимальные значения и составляют 2 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), время измельчения рулона (у3) составляет около 10 мин.
Анализируя двумерные сечения (рис. 4.29, б) видим, что максимальные значения пропускной способности (yi) 0,85 т/ч и минимальное время измельчения рулона (уз) 7,4 мин достигается при частоте вращения шнеков (х\), равной 28 мин"1, и диаметре несущего вала шнека (х4) 250 мм, однако минимальные значения удельных энергозатрат (у2) около 1,8 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.) достигаются при частоте вращения шнеков 21 мин"1.
Из анализа двумерных сечений (рис. 4.29, в) видно, что максимальная производительность (yi) 0,84 т/ч и минимальное время измельчения рулона (уз) 6,65 мин достигаются при нижнем положении гребенки (хз) и частоте вращения шнеков (х\) 28 мин". Однако минимальных значений удельных затрат энергии (у2) можно достичь при частоте вращения шнеков, равной 21 мин 1, и положении противорезов на верхнем уровне.
Заключительным этапом экспериментальных исследований является проверка работы агрегата в оптимальном режиме. Конструктивные параметры машины были установлены на оптимальных уровнях, которые обоснованы предыдущими исследованиями (раздел 4.6). Опыты проводились на рулонах ржаной соломы плотность которых составляла 58...60кг/м3 и влажностью - 15... 18 %.
Опыты проводили в трехкратной повторности при следующих настроечных параметрах: диаметр несущего вала шнеков Dm = 250 мм; установка противорезов в нижнем положении; частота вращения шнеков пш = 2\ мин .
В результате исследований были получены следующие результаты: в среднем время измельчения рулона составило t = 9,6 минут, пропускная спо собность - Q = 0,70 т/ч, удельные энергозатраты ЭУд = 1,8 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.), что вполне согласуется с предыдущими иссле дованиями. Гранулометрический состав измельченной соломы представлен на рисунке 4.30 (приложение 5).
В дальнейшем были проведены эксперименты по смешиванию. Состав кормосмеси следующий 110 кг измельченной соломы, 1050 кг зеленой массы и 35 кг ячменя, как контрольного компонента. По результатам исследований получены следующие данные: время приготовления кормосмеси с однород 117 ностью 80 % - 6 минут, среднее значение потребляемой мощности - 26,5 кВт, удельные затраты энергии - 2,21 кВт-ч/т. Общий вид приготовленного агрегатом корма представлен на рисунке 4.31.
При выгрузке кормовой смеси пропускная способность составила ?выгр=29,3 т/ч. Пропускную способность при выгрузке корма определяли согласно методике (раздел 3.4).
Оценка гранулометрического состава кормосмеси показала, что в процессе смешивания происходит доизмельчение стеблей соломенной резки.
Помольные характеристики соломенной резки до и после смешивания представлены на рисунке 4.30. Анализ данных характеристик показывает, что количество частиц, которые попадают в интервал от 20 до 55 мм, составляет после измельчения - 33 %, после смешивания - 70 %.
В результате проведенных исследований были зафиксированы следующие оптимальные значения параметров экспериментальной установки: диаметр несущего вала шнеков Иш = 250 мм; установка противорезов в нижнем положении; частота вращения шнеков пш - 21 мин" . Заключительные исследования показали, что при измельчении рулонов соломы озимой ржи массой 100...ПО кг и плотностью 58..60 кг/м время измельчения рулона составило t - 9,6 минут, пропускная способность - Q — 0,70 т/ч, удельные энергозатраты - Эуд= 1,8 кВт-ч/(т-ед.ст.изм.). При смешивании кормов время приготовления кормосмеси с однородностью 80 % составило 6 минут, среднее значение потребляемой мощности - 26,5 кВт, а удельные затраты энергии - 2,21 кВт-ч/т.
Использование разработанного измельчителя-смесителя-раздатчика кормов позволит заменить в существующих технологиях кормления животных несколько машин, поэтому оценку эффективности работы данного агрегата необходимо проводить, сравнивая два варианта: базовой технологии; новой технологии.
Для расчета выбираем технологическую линию, которая способна выполнять те же технологические операции, что и линия, в которую включен новый агрегат.
