ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ МОЛОДНЯКА КРС ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО НОРМИРОВАНИЯ

На правах рукописи

Вторый Сергей Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ

МОЛОДНЯКА КРС ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И

РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО

НОРМИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ

Специальность 05.20.01 –

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -2007

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук»

Научный руководитель – доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Валге Александр Мартынович

Официальные оппоненты – заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

Вагин Борис Иванович,

Санкт-Петербургский ГАУ;

- кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Солодун Василий Иванович,

ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии

Ведущая организация – Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Защита состоится 12 ноября 2007 года в 9 часов на заседании диссертационного совета К 006.054.01 при ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии по адресу: 196625, Санкт-Петербург, п/о Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3, корпус №1, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан «____» ____________ 2007 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Черей Н.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Успешная Реализация приоритетного национального проекта «Развитие АПК» по направлению «Ускоренное развитие животноводства», напрямую связана с увеличением производства молока и говядины, повышением их качества при снижении себестоимости, что в большой степени зависит от пополнения молочного и откормочного стада КРС полноценным молодняком.

Необходимым в современных условиях является разработка новых и адаптация существующих технологий и технических средств содержания и обслуживания телят в первый, молочный период выращивания, так как именно в это время формируется будущая высокая продуктивность животных, гарантия эффективного производства животноводческой продукции в рыночных условиях.

Важнейшим является полноценное кормление животных в соответствии с зоотехническими требованиями особенно высокоценными, концентрированными кормами. Однако в настоящее время эта технологическая операция, как правило, выполняется вручную, что не позволяет точно соблюдать технологию кормления и ведет к снижению продуктивности животных при высоких затратах труда.

В связи с этим разработка новых технологических решений кормления молодняка крупного рогатого скота с разработкой современных технических средств, чему и посвящена настоящая диссертационная работа, является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития Агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг. по проблеме 09 «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства».

Цель исследования. Повышение эффективности выращивания молодняка крупного рогатого скота путем оптимизации параметров и режимов установки индивидуального нормирования концентратов, а так же оптимального проектирования технологий выращивания молодняка КРС.

Объект исследования. Объектом исследования является технологический процесс дозирования концентрированных кормов, дозатор с дисковым рабочим органом и технологии выращивания молодняка.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием теории истечения сыпучих материалов. Расчеты и анализ технологий выполнены с использованием теории множеств и программирования баз данных.

Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных частных методик, теории планирования экспериментов и методов математической статистики.

Научную новизну работы составляют:

- компьютерная модель технологии выращивания молодняка КРС;

- 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 - регистрационный номер заявки 2007133194.

Практическую значимость работы составляют:

- автоматизированная система проектирования технологий выращивания молодняка крупного рогатого скота;

- автоматизированный раздатчик концентрированных кормов молодняку крупного рогатого скота;

- результаты исследований используются в учебном процессе Санкт-Петербургского Государственного аграрного университета при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация и реализация результатов исследования.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: «Научное обеспечение реализации направления «ускоренное развитие животноводства»», (Подольск, 2006 г.); профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (Санкт-Петербург-Пушкин, в 2005, 2006, 2007 г.); «Экология и сельскохозяйственная техника» ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии (Санкт-Петербург, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы включающего 93 наименования их них два на иностранном языке, 12 электронных сайтов и приложений, изложена на 144 страницах, содержит 56 рисунков, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы. Сформулированы цель и положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» проанализированы современные технологии выращивания молодняка КРС, отмечена роль и значение высокоценных кормов в рационе животных, обоснована необходимость их индивидуального нормирования. Приведены зоотехнические требования к способам и средствам механизированной раздачи кормов, технологии и технические средства выдачи их животным, классификация и обзор конструкций дозирующих средств, с точки зрения применимости для выдачи концентрированных кормов. Анализ информации показал, что наиболее перспективным для применения являются объемные дозаторы.

Проблемой дозирования высокоценных кормов в разные годы занимались Л.П. Кормановский, Е.Е. Хазанов, В.И. Сыроватка,
Б.И. Вагин, А.К. Мороз, М.А. Агапов, Л.Я. Степук, М.С. Елисеев, Н.В. Трутнев, И.А. Завалий, В.А. Седунов, В.И Солодун, В.С. Степко, Г.М. Ягудин и другие исследователи. Наибольшее распространение в работах получили: гравитационные, барабанные, тарельчатые, винтовые, ленточные, шиберные, поршневые и другие объемные дозаторы. В них изучались кинематика и динамика воздействия на частицы корма рабочими органами дозаторов, воздействие факторов рабочего процесса на качественные показатели, вопросы управления дозирующе-выгрузными устройствами.

Проведенный анализ показал, что большое количество технических решений для индивидуальной раздачи высокоценных кормов пока не нашло широкого применения. Это обусловлено тем, что все изученные устройства имели свои недостатки, одним из которых является большое отклонение выданных доз от зоотехнических требований. Таким образом, необходим поиск новых технических решений, которые будут просты по конструкции, надежны в эксплуатации, и обеспечивать высокую равномерность выдачи корма для применения их в индивидуальном нормировании кормов молодняку КРС.

Кроме того, большое влияние на себестоимость продукции оказывает технология выращивания молодняка. Рациональный выбор технологии связан с решением многовариантной задачи проектирования, что требует разработки соответствующего алгоритма и компьютерной программы.

В связи с этим для достижения поставленной цели, разработки конструкции объемного дозатора индивидуального нормирования и выбора технологий выращивания, необходимо решить следующие задачи:

-обосновать рациональную конструкцию объемного дозатора индивидуального нормирования концентратов;

-с учетом физико-механических свойств дозируемого материала выполнить теоретические исследования разработанного дозатора, установить взаимосвязи между конструктивными и режимными его параметрами;

-с учетом особенностей индивидуального нормирования выдачи кормов выбрать оптимальные параметры управления процессом дозирования, обеспечивающие заданную точность;

-для проверки и уточнения теоретических предпосылок и выявления технико-экономических характеристик провести экспериментальные исследования дозатора, разработать методику его инженерного расчета;

- провести испытания макета раздатчика-дозатора высокоценных кормов, определить экономическую эффективность и практическую целесообразность его применения;

-разработать алгоритм и компьютерную программу проектирования и сравнительного анализа технологий выращивания.

Во второй главе «Теоретический анализ процесса дозированной индивидуальной раздачи концентратов и обоснование технологических параметров установки» рассмотрены теоретические вопросы истечения дозируемых материалов и формирования порции корма дисковым рабочим органом, на основе полученных аналитических зависимостей процесса обоснованы параметры и режимы работы дозатора, обоснована его конструктивная схема.

Дозирование концентрированных кормов процесс сложный из-за существенного различия их физико-механических свойств. Предварительные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что наиболее приемлемым и обеспечивающим зоотехнические требования является дозатор дискового типа с использованием гравитационного истечения корма. Принципиальная схема дозатора приведена на рис.1.

Рис. 1. Принципиальная схема дискового дозатора.

Дозатор состоит из корпуса с загрузной горловиной 1, верхнего и нижнего дисков 2 и 3 соединенных осью 4 и с вырезанными отверстиями в виде секторов 5 и 6 с углом , выгрузной горловины 7. Работает дозатор следующим образом. При неподвижных дисках, корм поступает через загрузную горловину 1 на диск 2 и через сектор 5 поступает на диск 3 до тех пор, пока частично не заполнится междисковое пространство h после чего истечение корма прекратится. Секторы дисков повернуты относительно друг друга в горизонтальной плоскости на 180°. Истечение корма через сектор 6 нижнего диска 3 не происходит, следовательно дозирования корма нет.

При включении привода дозатора диски 2 и 3 соединенные жестко осью 4 начинают вращаться с угловой скоростью , при этом корм на верхнем и нижнем дисках неподвижен относительно дисков и под действием гравитационных сил он высыпается через сектор 6 нижнего диска 3 в выгрузную горловину 7 и одновременно через сектор 5 верхнего диска 2 происходит заполнение освобождающегося междискового пространства. Этот процесс происходит по мере вращения дисков и после их остановки прекращается. Таким образом, формируется и выдается требуемая порция корма.

Необходимые условия работы дозатора: стабильное истечение корма без сводообразования; при вращении дисков должно исключаться вращение корма с диском; исключается свободное истечение корма при неподвижных дисках; истечение корма через сектор 5 диска 2 должно быть достаточным для заполнения междискового пространства; истечение корма через сектор 6 диска 3 должно быть достаточным для формирования заданной по массе порции корма; должна быть возможность регулирования массы выдаваемой порции корма в требуемых пределах при обеспечении необходимой производительности.

Характер истечения дозируемых материалов можно определить как нормальное истечение. Сводообразование наступает, когда дозирующее отверстие меньше сводообразующего отверстия, гидравлический радиус которого:

Rгсв= 0 (1+sin )/g, (1)

где Rгсв – гидравлический радиус сводообразования, м; 0 – начальное сопротивление материала сдвигу, Па; - угол внутреннего трения материала, град; g – ускорение свободного падения, м/с2; - насыпная плотность материала, кг/м3

Вращение дисков, способствует разрушению сводов, играет роль механического побудителя истечения материала.

В процессе истечения материала через сектор нижнего диска 6 между нижним диском 3 и верхним диском 2 формируется конус корма с углом равным углу обрушения дозируемого материала. Свободное истечение материала отсутствует при условии:

h d tg k,

где - угол обрушения дозируемого материала, град; k - коэффициент учитывающий условия формирования откоса в зависимости от конструктивных особенностей дозатора и физико-механических свойств дозируемого материала.

Формирование порции корма состоит из двух процессов: истечение материала из загрузной горловины 1 через сектор 5 диска 2 с производительностью Qз и заполнение дозируемым материалом междискового пространства; истечение материала через сектор 6 диска 3 с производительностью Qд и формированием порции корма. Необходимым условием стабильной работы дозатора является неразрывность процесса истечения т.е. Qз > Qд.

Скорость истечения материала через отверстие определяется по формуле:

и , (2)

где и - скорость истечения материала, м/с; - коэффициент истечения, учитывающий влияние сил внутреннего трения о стенки отверстия; Rг – гидравлический радиус; Х– коэффициент зависящий от коэффициента внутреннего трения f и определяемый по формуле:

X = 1/f + 2f - (3)

На частицу материала находящуюся на вращающемся диске действуют силы (Рис. 2):

Рис. 2. Расчетная схема дозатора.

Здесь Р = mg - сила тяжести, Н; Fт = Рfв - сила внешнего трения частицы о поверхность диска, Н; Fтс = Pсfв - сила внешнего трения частицы о стенку дозатора, Н; Fтв = Рfвн - сила внутреннего трения частиц материала между собой, Н; Fн - центростремительная (нормальная) сила – это сила связей частицы материала с диском, так как жесткой связи нет, то действие этой силы не существенно и ограничивается силой трения материала о диск, Н; Fц = m 2/ rч = m2 rч - центробежная сила – сила определяемая силой инерции, численно она равна центростремительной силе но противоположна по направлению, Н; Fк = 2m - сила Кориолиса, проявляется во вращающейся системе и является силой инерции и направлена навстречу , Н.

где fв – коэффициент внешнего трения; fвн – коэффициент внутреннего трения; Pс сила давления корма на стенку дозатора, Н;

При работе дозатора присутствуют три режима: пусковой режим, когда угловая скорость дисков от нулевой возрастает до номинальной, здесь имеется угловое ускорение; номинальный (установившийся) режим, когда угловая скорость постоянна и равна номинальной, угловое ускорение отсутствует; остановка, когда угловая скорость уменьшается от номинальной до нулевой, здесь также имеется угловое ускорение.

В момент пуска дозатора на частицу действуют силы: сила тяжести Р, сила трения частицы о поверхность диска Fт, центростремительная (нормальная) сила Fн, центробежная сила Fц.

Уравнения действия сил по осям X и Y:

F(x) = mgfв - m2 rч; (4)

F(y) = mgfв - Pсfв - 2m (5)

Необходимое условие работы дозатора при вращении диска дозируемый материал должен быть неподвижен относительно диска, при выполнении условия:

mgfв (6)

В то же время он может перемещаться в радиальном направлении от центра вращения к периферии при условии 2 rч > gfв, что будет способствовать улучшению процесса дозирования.

Давление дозируемого материала на стенку определяется зависимостью:

p = kc h , кг/м2

где kc – характеристика сыпучести материала и вычисляется по формуле: kc =1- sin'/1+ sin',

где ' - угол естественного откоса материала, град,

С учетом центробежной силы, Н:

Pс = (kc h Sб g+ m2 R/2), (7)

где Sб – площадь контакта материала со стенкой дозатора, м2.

Режим пуска является кратковременным. Определяющим является установившийся режим дозирования. При этом режиме соответственно будут действовать силы (4), (5)в зависимости от режима будет соблюдаться условие:

2 rч gfв; mgfв (8)

В режиме остановки процесс дозирования прекратиться при:

2 rч Pсfв + 2m. (9)

Необходимыми условиями обеспечения процесса дозирования материала дисковым дозатором являются:

2rч > gfв; (kchSб g+m2R/2)fв+ 2m> mgfв (10)

Производительность дозатора определяется выражением, кг/с:

Qmax = Sи,

где S = (R2 – r2)/360,

Rг = ( (R2 - r2) /360) / (((R +r)/360) + 2(R – r)), (11)

Q = R2hn, (12)

где - коэффициент заполнения междискового пространства;

n – частота вращения дисков, об/с.

Максимальная частота вращения дисков об/с, при которой будет обеспечиваться максимальная производительность дозатора, определяется выражением:

nmax = Sи/R2h; (13)

Затраты энергии на привод дозатора обусловлены сопротивлением от перемещения корма по дискам и трением его о стенку корпуса. Мощность на преодоление этого сопротивления составит (Вт):

N = Nxx + Nт1 + Nт2 + Nтс, (14)

где Nxx – мощность холостого хода, Вт; Nт1 – мощность на преодоление силы трения верхнего диска о корм, Вт; Nт2 - мощность на преодоление силы трения нижнего диска о корм, Вт; Nтс - мощность на преодоление силы трения корма о стенку дозатора, Вт.

На основе поисковых опытов и учитывая конструктивные требования к дозатору принимаем: диаметр дисков дозатора D = 0,045 м,

= 60, 90, 120°.

Производительность дозатора при свободном истечении материала:

Q = 0,182 0,455 кг/с;

Частота вращения дисков дозатора:

n = 1,82 4,55 об/с.