Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1. Современные технологии выращивания молодняка КРС и тенденции их совершенствования 7
1.2. Роль и значение концентрированных кормов в рационе молодняка КРС. 15
1.3. Технологии и технические средства раздачи концентратов молодняку крупного рогатого скота 18
1.4. Процесс дозирования концентратов и анализ конструкций дозирующих устройств 23
1.5. Краткие выводы, цель и задачи исследований 34
2. Теоретический анализ процесса дозированной индивидуальной раздачи концентратов и обоснование технологических параметров установки 36
2.1. Оценка точности настройки параметров и режимов работы дозатора 36
2.2. Обоснование конструктивной схемы дозирующего органа установки 39
2.3. Основные параметры и режимы работы дозирующего органа 41
2.3.1. Обеспечение истечения корма без сводообразования 41
2.3.2. Исключение свободного истечения корма при неподвижных дисках 43
2.3.3. Формирование порции корма и производительность дозатора 44
2.3.4. Необходимые условия для обеспечения процесса дозирования 45
2.3.5. Производительность и необходимая мощность на привод
дозатора 50
2.4. Основные расчетные параметры и режимы работы экспериментального дискового дозатора 51
2.5. Выводы и задачи экспериментальных исследований 52
3. Программа и методика экспериментальных исследований 54
3.1. Программа экспериментальных исследований 54
3.2. Планирование экспериментов 56
3.3. Описание лабораторной установки. Измерительные средства, используемые при исследованиях 58
3.4. Методика исследования и обработка опытных данных 64
4. Результаты исследований макета дозатора концентрированных кормов 66
4.1. Исследования физико-механических свойств дозируемых кормов 66
4.2. Результаты сравнительных исследований шнекового и дискового дозаторов 73
4.3. Результаты исследований макета дискового дозатора 76
4.3.1. Результаты исследований дозирования плющеного зерна 76
4.3.2. Результаты исследований дозирования рассыпного комбикорма 79
4.3.3. Результаты исследований дозирования мелкогранулированного комбикорма 82
4.3.4. Результаты исследований дозирования крупногранулированного комбикорма 85
4.3.5. Определение оптимальных параметров и режимов работы дозатора при дозировании кормов с различными физико-механическими свойствами 88
4.3.6. Определение значений коэффициента заполнения междискового пространства дозатора 100
4.3.7. Определение значений коэффициента истечения дозируемых кормов 103
4.4. Основные выводы и предложения 104
5. Модель технологии выращивания молодняка КРС и экономическая эффективность применения установки для раздачи высокоценных кормов 106
5.1. Модель технологии выращивания молодняка КРС 106
5.2. Результаты испытаний экспериментального образца мобильного раздатчика концентрированных кормов молодняку КРС 111
5.3. Экономическая эффективность применения установки для раздачи высокоценных кормов и автоматизированной системы проектирования технологий 115
Основные выводы и предложения 119
Список литерататуры 121
Приложения
- Современные технологии выращивания молодняка КРС и тенденции их совершенствования
- Оценка точности настройки параметров и режимов работы дозатора
- Описание лабораторной установки. Измерительные средства, используемые при исследованиях
- Исследования физико-механических свойств дозируемых кормов
Введение к работе
Вступление России в эпоху рыночных отношений повлекло за собой резкое сокращение производства продукции животноводства, что привело к значительному снижению поголовья молочных коров и молодняка выращиваемого на мясо. Этому способствовал так же рост себестоимости производства животноводческой продукции вызванной высокими затратами, в первую очередь, кормов промышленного производства, энергии и других ресурсов.
Эффективность выращивания молодняка КРС в значительной степени определяется скоростью прироста живой массы, зависящей от многих факторов: рациона и схемы кормления, способа содержания животных, параметров микроклимата и др. Одним из способов получения планируемой продуктивности животных является использование современных методов проектирования технологий [1]. Гибкие системы проектирования технологий позволяют обеспечивать получение маскимального количества продукции при минимальных затратах за счет выбора множества возможных вариантов реализации технологии рационального варианта [2].
В рационе молодняка крупного рогатого скота в зависимости от периода выращивания и применяемой технологии (ремонтный молодняк или молодняк выращиваемый на мясо) доля концентрированных кормов в рационе может составлять 60%.
Самым ответственным, трудоемким и ресурсозатратным является первый (молочный) период выращивания молодняка - длящийся от рождения до 4-6 месяцев. Здесь формируется молочная или мясная продуктивность животного. Животное в это период полностью переходит от питания молоком на питание грубыми, сочными и концентрированными кормами. Важнейшее место в рационе занимают концентрированные корма, масса которых в первый месяц составляет до 100 грамм в сутки на одно животное, а концу периода выращивания возрастает до 1 кг и более. Очень важно в этот период с
физиологической и экономической точек зрения соблюдать установленные нормы кормления. Недокорм животных приводит к снижению суточных приростов живой массы, это в свою очередь отрицательно сказывается на развитии животного, перекорм концентратами неправильно формирует систему пищеварения, приводит к перерасходу корма и резкому снижению экономической эффективности производства, так как эти корма являются весьма дорогими. Строгое выполнение этого технологического процесса возможно лишь при использовании современных автоматизированных технических средств для дозирования и раздачи кормов.
В настоящее время фирмами России и стран ближнего зарубежья не выпускается такое оборудование. Ряд известных фирм, таких как Mullerup (Дания), Schauer (Австрия), De Laval (Швеция), Pellon (Финляндия) выпускаются подвесные мобильные раздатчики и стационарные кормовые станции. Но они не находят широкого распространения ввиду высокой стоимости и значительных эксплуатационных затрат.
Поэтому разработки автоматизированных систем проектирования технологий выращивания молодняка КРС для сельскохозяйственных предприятий и установки индивидуального нормирования концентрированных кормов в зависимости от его возраста и физиологического состояния являются актуальными задачами.
Положения, выносимые на защиту: аналитические зависимости истечения дозируемых материалов и формирования дозы дисковым дозатором; математические модели зависимостей параметров и режимов работы дозатора от вида дозируемого корма; конструктивно-технологическая схема дискового дозатора для сыпучих материалов; модель и автоматизированная система проектирования технологий выращивания молодняка крупного рогатого скота; технико-экономические показатели раздатчика высокоценных кормов с дисковым дозатором.
Современные технологии выращивания молодняка КРС и тенденции их совершенствования
Современная технология должна быть организована так, чтобы при рациональных затратах труда и расходе кормов обеспечить оптимальный рост и развитие молодняка, а так же заложить основу для высокой последующей продуктивности взрослых животных.
Технология выращивания молодняка включает в себя систему мероприятий, которые направлены на обеспечение оптимальных биологических, технических, и организационных условий для получения здоровых животных. Рациональное выращивание во многом зависит от правильной организации их кормления и содержания. Для нормального роста и развития, в связи с повышенным обменом веществ, высокие требования предъявляются к качеству кормов [3].
В молочный период животные находятся в телятниках, где их содержат до 4-6-месячного возраста. В телятниках должны быть созданы такие условия, которые максимально отвечали бы биологическим особенностям организма теленка, обеспечивали выращивание здоровых животных, устойчивых к воздействию неблагоприятных внешних факторов и к заболеваниям. Даже при хорошем кормлении, но плохих условиях содержания, неудовлетворительной технологии нельзя вырастить здорового, нормально развитого теленка.
Наиболее широко распространены в молочный период следующие способы содержания: в индивидуальных клетках, клеточный групповой, беспривязной и привязной.
В существующих типовых проектах для выращивания молодняка [4] рекомендуется применять индивидуальные клетки (рис. 1.1). При таком содержании телята изолированы друг от друга, движения их ограничены. Молоко им выпаивают из сосковых поилок, а прочие корма (сено, концентраты) выдают в отдельные кормушки. Такой способ экономически менее выгоден, так как связан с излишними затратами на устройство клеток и обслуживание.
Проведенные исследования [5], показали, что содержание телят в узких клетках до месячного возраста не оказывают отрицательного влияния на их рост, развитие и заболеваемость. Этот способ позволяет значительно увеличить плотность размещения животных, однако при содержании телят в клетках более 1 месяца из-за резкого ограничения движения у них наблюдается отставание в росте, неправильное формирование конечностей, снижается резистентность и замедляется развитие внутренних органов (легких, селезенки, сердца, печени).
Длительное содержание (до 3-месячного возраста) телят в индивидуальных узкогабаритных клетках является неблагоприятным стрессом, оказывающим заметное влияние на поведение, рост, развитие и физиологическое состояние животных. В индивидуальных клетках телята лишены контакта друг с другом, не могут облизывать загрязненные участки тела и ограждения клетки. Это уменьшает опасность возникновения и распространения желудочно-кишечных заболеваний. Однако лишение контакта с другими телятами приводит к угнетению рефлекса подражания, вследствие чего телята позже, чем в групповых клетках, приучаются к поеданию кормов. Тормозится развитие многих условно-рефлекторных реакций, обеспечивающих нормальный рост и развитие теленка [6].
В ряде хозяйств страны успешно практикуют выращивание телят на открытом воздухе в индивидуальных домиках (рис. 1.2). Домик для телят [7,8,9] сделан из полиэстера, укрепленного стекловолокном, поэтому он не подвержен влиянию солнечной радиации, высоким и низким температурам. Каждый домик имеет выгульный двор, на ограждении которого закреплены держатели для ведер. Домики устанавливают на площадке с твердым покрытием рядами на расстоянии одного метра друг от друга. Основание под домиками засыпают опилками и застилают соломой. Исследованиями ряда ученых и практикой доказано, что при полноценном кормлении молодняк, выращиваемый при пониженных температурах, не только не отстает в росте, но и приобретает повышенную устойчивость к неблагоприятным факторам. При этом у них повышается общий уровень обмена веществ, усиливаются процессы дыхания, пищеварения и кровообращения, что положительно сказывается на уровне продуктивности [10]. На многих фермах с традиционной технологией телят держат в групповых клетках по 10-16 голов до 6-месячного возраста (рис. 1.3).
При групповых способах содержания важным моментом является правильный подбор телят в группы. Они должны быть однородными по возрасту, массе тела и полу, необходимо также учитывать степень физиологической зрелости телят. Подбор телят в группы без учета указанных факторов приводит к тому, что животные развиваются неодинаково, некоторые начинают отставать в росте. Их устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды снижается, они чаще заболевают. Подбор телят в группы, независимо от цели выращивания должен обеспечить нормальный рост и развитие организма, максимальное использование наследственно обусловленной энергии роста и корма, полное удовлетворение физиологических и биологических потребностей организма, спокойное поедание положенной нормы корма, спокойный отдых животных в группе. Осуществление тщательного подбора телят значительно облегчает процессы нормирования молока и его выпаивания, особенно в первый месяц жизни, и наряду с этим даёт возможность применять нормированное групповое кормление остальными кормами. В связи с указанными требованиями подбора однородных групп различия в возрасте телят допускаются не более 3-6 дней, в живой массе 5-7 кг [б].
В групповых клетках телята содержатся на сплошных или щелевых полах. В некоторых случаях, в зависимости от применяемой системы навозоудалення, в клетках устраивают комбинированный тип пола. При этом у кормушек над каналом навозоудалення укладывают решетчатую часть пола, а в логове, где отдыхают телята - сплошную. Решетчатую часть обычно устраивают из металлических решеток, имеющих ширину планки 20-30 мм, щели между ними 20 мм. Площадь пола должна быть 1,6 м2 на одну голову. При более плотном размещении телят трудно поддерживать в клетках необходимые санитарно-гигиенические условия. При высокой скученности телята всегда грязные, уборка навоза в клетках проходит с большими трудностями. Групповые станки оборудуют кормушками из расчета 0,35-0,4 м фронта кормления на одну голову.
Оценка точности настройки параметров и режимов работы дозатора
Из всего многообразия кормов применяемых при кормлении молодняка КРС наиболее ценными являются концентрированные корма, поставляемые в хозяйства как в рассыпном, так и гранулированном виде. В последние годы появился новый вид корма - плющеное зерно, который по своим питательным свойствам близок к концентрированным кормам. Физико-механические свойства традиционно применяемых концентрированных кормов довольно хорошо изучены, описаны в целом ряде источников [30,31,32,69], но требуется их уточнение к конкретным условиям проводимых исследований. Данные по физико-механическим свойствам плющеного зерна отсутствуют.
К основным физико-механическим свойствам (характеристикам) относятся [29,65,66]: гранулометрический состав, насыпная плотность, влажность, угол естественного откоса, угол обрушения, угол динамического откоса, коэффициенты внутреннего трения и внешнего трения по различным поверхностям, предельные касательные напряжения сдвигу.
Для определения физико-механических свойств кормов использовались известные-методики [29,30,65]. Для определения напряжений в исследуемых материалах использовалась методика, предложенная в [66]:
Важными характеристиками, определяющими характер истечения дозируемого материала, энергоемкость процесса являются нормальное о и касательное т напряжения. Причем касательное напряжение напрямую зависит от вида корма и нормальных напряжений, связанных с высотой слоя корма над выгрузным отверстием, его плотностью и массой. Общий вид лабораторной установки для определения нормальных с и касательных напряжений т приведен на рисунке 4.1.
Анализ конструкций, технико-технологических характеристик различных типов дозирующих устройств позволил определить, что условиям индивидуального нормирования высокоценных кормов молодняку крупного рогатого скота наиболее соответствуют шнековые и дисковые дозаторы с использованием гравитационного истечения дозируемого материала.
С целью выявления наиболее эффективной конструкции дозатора проведены сравнительные исследования шнекового и дискового дозаторов при дозировании плющеного зерна и гранулированных концентрированных кормов. Принципиальные схемы и общий вид лабораторной установки представлен в главе 3.
Анализ результатов лабораторных исследований двух типов дозирующих органов [76] показал, что шнековый дозатор обладает большей производительностью по сравнению с дисковым (рис. 4.7), однако в нашем случае производительности дискового дозатора вполне достаточно для формирования и выдачи животному необходимой порции корма. В связи с этим наиболее важными и определяющими технико-технологическими характеристиками являются мощность необходимая на привод дозатора и погрешность дозирования кормов. По этим показателям большими преимуществами обладает дисковый дозатор. Из графиков представленных на рисунках 4.6, 4.9 видно, что при заданной частоте вращения дозирующего органа погрешность дозирования плющеного зерна и гранулированного корма у дискового дозатора гораздо ниже, чем у шнекового. Аналогичные тенденции наблюдаются и при замерах мощности на привод рабочих органов (рис. 4.8, 4.11).
В связи с этим можно сделать вывод, что для нормированного дозирования концентрированных кормов молодняку КРС наиболее приемлемо применение дискового дозатора. Далее с целью оптимизации параметров и режимов рабочего органа дискового дозатора выполнены его более полные исследования.
Описание лабораторной установки. Измерительные средства, используемые при исследованиях
С развитием информационных технологий появляются большие возможности гибкого проектирования, оперативного анализа и выбора рациональной технологии откорма молодняка КРС. В связи с этим в рамках выполнения диссертации разработан алгоритм решения и автоматизированная система проектирования технологий (АСПТ).
В общем случае поиск оптимальных вариантов технологий из множества возможных реализаций выполнялся одним из методов математического программирования, что требовало разработки соответствующей экономико-математической задачи и специального программного обеспечения.
С точки зрения современного компьютерного дизайна к программному продукту предъявлялись конкретные требования, связанные с удобством работы с программой при задании (выборе) условий (исходных данных) и представлением результатов расчетов. При таком подходе наиболее предпочтительным оказалось использование систем управления базами данных (СУБД).
СУБД - это система программирования, позволяющая сохранять, извлекать, сортировать, обрабатывать и анализировать взаимосвязанные данные, "(обеспечивая их защиту и целостность, создавать объекты, или документы необходимые для работы.
В зависимости от системы выращивания (СВ) животных, технологических процессов (ТП), способа содержания (СС) выполняются различные технологические операции (ТО). Технологические операции выполняются различными техническими средствами (ТС). Технические средства агрегатируются различными энергосредствами. Взаимосвязи между СВ, СС, ТП, ТО и ТС приведены на рисунке 5.1.
Любая технология, технологический процесс осуществимы, если свойства объектов совместимы между собой, т.е. пересечения совокупностей множеств образует некоторые не пустые множества. Применительно к технологиям откорма технология осуществима, если соблюдаем соотношение:
В формуле (5.2) Эйлерово произведение выполняется по правилу «каждое значение первой матрицы умножается на каждое значение второй матрицы», поэтому размерность матриц возрастает как произведение их размерностей. Из полученного множества пересечением отбираются элементы, принадлежащие второй из перемножаемых матриц. Общее количество возможных вариантов реализации технологических вариантов достигает значительного количества [77,78].
В программном обеспечении соотношения (5.1) и (5.2) реализуется в виде реляционных связей по ключевым полям таблиц данных, а так же логическими соотношениями вида "если.. .то", "или", "и.. .и". В случае использования в качестве системы программирования СУБД, данные в таблицах могут изменяться без изменения свойств задачи. Поиск оптимальных (рациональных) технологических вариантов выполняется методами ранжирования и фильтрации всего множества расчетных вариантов. Такой подход позволяет, используя возможности СУБД, строить соответствующий удобный интерфейс, и, используя возможности современных компьютеров, выполнять расчет всех возможных технологических вариантов. Далее расчетные данные ранжируются по возрастанию или убыванию и фильтрами отбираются оптимальные (рациональные) технологические варианты [79]. В разработанной системе проектирования в качестве программной оболочки использована система управления базами данных (СУБД) Access [80], а информация представлена в виде иерархически взаимосвязанных множеств и располагается в таблицах данных. Блок-схема алгоритма приведена в приложении 1, рис. 1п. В АСП используются следующие таблицы базы данных [81,82,83]: «Технологические процессы»; «Операции»; «Корма»; «Машины и оборудование»; «Энергосредства»; «Персонал»; «Топливо». В таблице «Технологические процессы» приведены все технологические процессы, применяемые при откорме молодняка КРС. В таблице «Операции» приведены все операции, участвующие в технологических процессах. В таблице «Корма» приведен микро- и макроэлементный состав кормов. Корма разбиты на классы: зеленый корм, сено, солома, силос, сенаж, травяная .мука, корне-клубнеплоды, зерно и продукты его переработки, комбикорма, корма животного происхождения. В таблице «Машины и оборудование» приведены технико-экономические показатели машин и оборудования. Машины и оборудование разбиты на группы, определяющие какая операция выполняется данной машиной и какой способ содержания применяется. В таблице «Энергосредства» приведены технико-экономические показатели средств механизации. В базе средства механизации разбиты на группы в зависимости от используемых машин и оборудования. В таблице «Персонал» приведены должности сотрудников, участвующих в производстве говядины. Все таблицы взаимосвязаны по ключевым полям, что создает единую информационную систему по всему множеству технологических составляющих (Приложение 1. рис. 2п). В зависимости от требований алгоритма расчета показателей, строятся различные схемы объединения таблиц. Для расчета технических и технико-экономических показателей в программе использованы соотношения, полученные в исследованиях по выращиванию и откорму молодняка КРС [84,85,86].
Исследования физико-механических свойств дозируемых кормов
В разработанной системе проектирования в качестве программной оболочки использована система управления базами данных (СУБД) Access [80], а информация представлена в виде иерархически взаимосвязанных множеств и располагается в таблицах данных.
Блок-схема алгоритма приведена в приложении 1, рис. 1п. В АСП используются следующие таблицы базы данных [81,82,83]: «Технологические процессы»; «Операции»; «Корма»; «Машины и оборудование»; «Энергосредства»; «Персонал»; «Топливо». В таблице «Технологические процессы» приведены все технологические процессы, применяемые при откорме молодняка КРС. В таблице «Операции» приведены все операции, участвующие в технологических процессах. В таблице «Корма» приведен микро- и макроэлементный состав кормов. Корма разбиты на классы: зеленый корм, сено, солома, силос, сенаж, травяная .мука, корне-клубнеплоды, зерно и продукты его переработки, комбикорма, корма животного происхождения. В таблице «Машины и оборудование» приведены технико-экономические показатели машин и оборудования. Машины и оборудование разбиты на группы, определяющие какая операция выполняется данной машиной и какой способ содержания применяется. В таблице «Энергосредства» приведены технико-экономические показатели средств механизации. В базе средства механизации разбиты на группы в зависимости от используемых машин и оборудования. В таблице «Персонал» приведены должности сотрудников, участвующих в производстве говядины. Все таблицы взаимосвязаны по ключевым полям, что создает единую информационную систему по всему множеству технологических составляющих (Приложение 1. рис. 2п). В зависимости от требований алгоритма расчета показателей, строятся различные схемы объединения таблиц. Для расчета технических и технико-экономических показателей в программе использованы соотношения, полученные в исследованиях по выращиванию и откорму молодняка КРС [84,85,86].
Система работает в режиме диалога с пользователем. Интерфейс программы обеспечивает простое и наглядное представление используемой информации (рис.
Работа предлагаемой системы заключается в следующем. Пользователь, выбирая соответствующие клавиши интерфейса, вносит исходные данные по предприятию, и, выбирая соответствующие данные из таблиц данных, производит формирование технологии (Приложение I, рис. Зп, 4п, 5п, 6п). Для сформированной технологии в соответствии с реляционными связями программа выбирает технические средства и производит технологические расчеты. Программа выполняет: технологические расчеты, расчет потребности в производственных площадях, расчет потребности в кормах, расчет выхода навоза и потребности в подстилке, расчет потребности в воде, расчет потребности в машинах и оборудовании на объект, расчет потребности в персонале и оплаты труда, расчет экономико-технологические показателей технологии откорма (Приложение 1, рис. 7п, 8п, 9п).
Пользователь выбирает наиболее рациональный вариант по предпочтительному для него критерию с учетом конкретных хозяйственных условий. Такими критериями служат: себестоимость прироста, удельный расход кормов, удельные затраты труда, удельные затраты энергии и затраты на содержания основных фондов. В конечном итоге программа формирует окончательные отчеты, которые для анализа выводится на печать.
Результаты испытаний экспериментального образца мобильного раздатчика концентрированных кормов молодняку КРС На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований дискового дозатора разработан экспериментальный образец мобильного раздатчика концентрированных кормов молодняку крупного рогатого скота.
Он состоит (рис. 5.3 а, б) из четырехколесной ручной тележки, на которой установлен бункер для кормов емкостью 0,04 м , оборудованный дисковым дозатором с приводом от двигателя постоянного тока с аккумуляторной батареей напряжением 12 В. Имеется система управления дозатором с пультом позволяющим варьировать время включения дозатора в широком диапазоне (рис. 5.3 в). Габаритные размеры раздатчика: длина - 1220 мм; ширина - 670 мм; высота - по рукоятке 930 мм, по бункеру 880 мм. Высота выгрузной горловины дозатора над уровнем кормового прохода может устанавливаться на высоте от 0,35 до 0,45 м с интервалом 0,02 м, что в соответствии нормами технологического проектирования высоты установки кормушки, позволяет выдавать корм животным от 20 дней до 6 месячного возраста. Масса раздатчика без корма составляет 65 кг. образца раздатчика проводились на лабораторной базе института.
В результате испытаний при дозировании гранулированных концентрированных кормов насыпной плотностью 659 кг/м3 установлено, что экспериментальный образец раздатчика работоспособен и выдает заданные порции корма в индивидуальные кормушки (ведра).
Масса порции корма в зависимости от продолжительности выдачи (6-30с) варьируется в пределах 0.14-0,72 кг (рис. 5.4) при погрешности дозирования 1,9 - 4,3 % (рис. 5.5), что удовлетворяет зоотехническим требованиям ±5%. Средняя производительность дозатора составила 22,4 г/с с погрешностью 2,5%. Мощность на привод дозатора при выдаче корма составила 32 Вт.
Кормораздатчик по кормовому проходу перемещается вручную со скоростью 1-1,4м/с, усилие на перемещение по бетонному покрытию при полной загрузке составляет при трогании с места 5-6 кг, при движении 2,5-3 кг. Бункер раздатчика вмещает около 25 кг гранулированного корма, что достаточно для разовой выдачи на 30-60 голов молодняка в зависимости от возраста.
