Совершенствование процессов изготовления и использования семенных капсул на основе отходов животноводства и птицеводства

Актуальность темы

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

Упрощение современных агротехнологий, основанных на методологии формирования и проектирования адаптивно-ландшафтной системы земледелия, разработанной ведущими учёными Россельхозакадемии, приводит к резкому снижению урожайности сельскохозяйственных культур и потере качества получаемой продукции. Это обуславливает продовольственную зависимость России от большинства зарубежных государств в связи с тем что, урожайность большинства сельскохозяйственных культур в нашей стране, при наличии мощного производственного и ресурсного потенциала земель, в 1,5.2 раза ниже среднемировой [1,2,3,4, 5].

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

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

Внесение отходов, содержащих в своём составе основные химические элементы (азот, фосфор, калий) и микроэлементы, необходимые для роста и развития растений, улучшает динамику биологических процессов в почве. Наилучший эффект достигается при локальном внесении удобрений в зону развития корневой системы растений в процессе посева [11, 12].

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

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

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

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

Модернизированная посевная техника должна быть конкурентно-способной по ценовым характеристикам на отечественном рынке и обеспечивать поддержание уровня механизации сельского хозяйства в хозяйствах не только с низкой экономикой производства [5]. Их разработка является актуальной научной задачей, имеющей важное хозяйственное значение.

Актуальность темы

исследований подтверждается заданиями Россельхо-закадемии.

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

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

Конструктивно-технологические схемы устройств для прессования материалов многообразны, однако применительно к производству семенных капсул шарообразной формы из отходов животноводства и птицеводства наиболее приемлемым и экономически целесообразным является метод холодного двухстороннего прессования в закрытых пресс-формах, пуансонами со значительной кривизной поверхности. Требование по форме семенной капсулы в виде шара обусловлено созданием новой высевающей системы, согласно патента РФ № 2 475 012, и семенной капсулы, созданных с участием соискателя, приложение А.

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

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

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

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

Задачи исследований:

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

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

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

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

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

— определить затраты на изготовление и посев семенных капсул.

Научную новизну диссертационной работы составляют.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— результаты экспериментальных исследований;

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

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— применением современной контрольноизмерительной и вычислительной техники;

— объёмом экспериментальных исследований;

— согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.

Основные материалы диссертации доложены и одобрены.

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

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

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

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

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

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

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

Выводы.

1. В ходе теоретических исследований получены аналитические зависимости для расчётов:

— суммарной массы элементов питания многокомпонентной смеси, массы исходной смеси и количества семенных капсул для посева с учётом агротехнических требований;

— давления и усилий при двухстороннем прессовании для обеспечения заданных характеристик и формы семенной капсулы;

— работы внешних сил и внутренних сопротивлений при пластической деформации компонентов смеси, затрат мощности на реализацию процесса.

2. Доказана новизна технического решения механической высевающей системы, патент РФ № 24 750 012.

3. Разработано, на уровне заявки на изобретение, новое решение семенной капсулы шарообразной формы с конической усечённой полостью для размещения семян.

4. Создано оборудование и разработана технология изготовления семенных капсул.

Результаты теоретических исследований требуют экспериментального подтверждения.

3.1 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ.

ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Программа экспериментальных исследований.

Для достижения поставленной цели, решения поставленных задач и проверки достоверности разработанных аналитических положений и выводов по изготовлению и использованию капсулированных семян программой экспериментальных исследований предусматривалось выполнение следующих этапов:

— определить физико-механические и реологические свойства прессуемой смеси с учётом наличия различных компонентов (содержание воды, кислотность, адсорбционные параметры) и изучить закономерности развития упругих и пластических деформаций;

— провести экспериментальные исследования процесса холодного прессования исходной смеси пуансонами со сферическими рабочими поверхностями в закрытых пресс-формах цилиндрического типа и обосновать эффективные параметры и режимы процесса;

— выявить соответствие экспериментальных данных расчётным, выполненных на основе аналитических исследований и обосновать конструктивные параметры устройства для прессования, семенных капсул шарообразной формы;

— на основе экспериментальных исследований определить размерные, массовые, фрикционные, прочностные свойства семенных капсул и капсулированных семян и их изменения в процессе хранения;

— провести лабораторно-полевые исследования по выявлению динамики развития растений с учётом подготовки семенного материала;

— провести сравнительную эксплуатационно-технологическую оценку работы агрегатов на посеве капсулированных семян и разработать рекомендации по их использованию;

— выявить технико-экономические показатели эффективности применения капсулированных семян и затраты на их изготовление.

3.2 Методика определения физико-механических свойств исходной смеси и семенных капсул.

Исследования физико-механических свойств исходной смеси и семенных капсул пропашных культур проводились по методике ВИСХОМ, разработанной с учётом требований ГОСТов [125] широко применяемой в процессах изучения. Кроме того в процессе исследований используются показатели и характеристики физико-механических свойств семян, изложенных достаточно полно в научной литературе [126, 127, 128,129] с использованием приборов согласно [130].

Влажность смеси, состоящей из нескольких компонентов, определяется согласно ГОСТ 12 041;82 [123] и ГОСТ 28 268–69 [124] с использованием сушильного шкафа и электронных весов.

Адсорбционные свойства семенных капсул характеризуют способность поглощения воды капсулой, то есть скорость её набухания и последующего распада спрессованной массы в почве.

В ходе экспериментальных исследований спрессованная капсула помещается на определенное время в воду. По истечении заданного времени капсула взвешивается, и значение её массы сравнивается с исходной.

На основе экспериментов устанавливается время набухания капсулы и период её распада.

Кислотность исходной смеси с учётом состава компонентов определяется с использованием рН-метров методом ЦИНАО (ГОСТ 26 483−85, ГОСТ 26 212–91).

Для определения формы и размеров капсул берут из средней пробы не менее 100 шт и измеряют диаметр каждой капсулы с погрешностью ±1 мм.

Для определения выравненное&tradeфракции капсул от общей их массы отбирают среднюю пробу по ГОСТ 12 036;85 [131].

Насыпную плотность капсул определяют как среднее из трех повторностей. Массу 1000 капсул определяют по ГОСТ 12 042;89 [132].

3.3 Методика определения реологических свойств исходной смеси.

Процесс прессования неразрывно связан с возникновением упругих и пластических деформаций и изменениями структурно-механических свойств исходной смеси. Параметры и пределы варьирования этих изменений можно выявить в процессе изучения реологических масс при приложении нагрузок. Исследования проводят, как правило, на ротационных вискозиметрах, например типа PB [133] по методикам s = const (кинематика напряжения сдвига) и т = const (кинематика деформации сдвига).

Изучение структурно-механических свойств смеси по методу s = const, то есть при постоянной скорости сдвига e позволяет проанализировать кинетику напряжения сдвига и установить прочность дисперсной системы, её разрушение и восстановление, а также по методу т = const — при постоянном напряжении сдвига г, приложенном к исследуемой смеси. Метод г = const позволяет охарактеризовать процессы релаксации, ползучести, мгновенную и запаздывающую упругость и кинетику тиксотропного или респективного изменения структуры [133].

Использование наиболее распространённых приборов типа РВ-8 с рабочими задорами между цилиндрами в интервале 3.4 мм проблематично, в связи с тем, что размеры твёрдых включений смеси соизмеримы, а иногда и превышают указанный зазор. Кроме того следует отметить, что ротационные приборы РВ-8 позволяют измерять реологические свойства материалов в области высоких скоростей деформации и не охватывают скоростей деформации, характерных для процесса прессования сельскохозяйственных материалов, в том числе и отходов животноводства и птицеводства (навоз, помёт).

Для проведения исследований реологических свойств прессуемой смеси использован ротационный вискозиметр, конструкции, предложенной [134]. Конструкция предложенного прибора представляет собой усовершенствованный вискозиметр РВ-8 с внешним цилиндром диаметром 188 мм и внутренним с рифленой поверхностью диаметром 152 мм, что позволило увеличить зазор между цилиндрами до 14 мм. Наружный цилиндр вращается от электропривода, который вклю.

На усовершенствованном вискозиметре установлены приборы, позволяющие регистрировать изменение напряжения сдвига на бумажной ленте 3, закрепленной на поверхности наружного цилиндра и деформации с помощью индикатора КИ.

R 76.

Отношение радиуса внутреннего цилиндра к наружному равно — = — = 0,808.

R 94.

Усовершенствованный вискозиметр позволяет изучать реологические свойства прессуемой исходной смеси при скорости вращения наружного цилиндра от со = 0,26 с" 1 и а>2 = 0,48 с" 1 до ш3 = 0,0009 с" 1. Масштаб времени принят при a>i = 1,63 с1/мм, со2 = 0,88 с~7мм и со3 = 0,44 с1/мм.

Перед проведением исследований реологических свойств смеси вискозиметр предварительно тарировался на дизельном масле. Вязкость масла, полученная на данном приборе, сравнивалась со значениями вязкости, полученной на данном приборе РВ-8. данные тарировки сведены в таблицу 4. Погрешность тарировки усовершенствованного вискозиметра не превышала 3%.

Экспериментальное определение реологических свойств исходной смеси проводили s = const (кинетика напряжения сдвига) и т = const (кинетика деформации сдвига).