pod redakcją Aleksandra Lisowskiego

Efekty działania elementów wspomagających rozdrabnianie roślin kukurydzy a jakość kiszonki pod redakcją Aleksandra Lisowskiego Wydawnictwo SGGW Warszawa 2009

Copyright by Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009 Autorzy rozdziałów: Aleksander Lisowski: 1, 2.2, 2.3, 2.4.3, 2.4.4, 4, 5.3, 6, 7.1, 7.2, 7.3 Krzysztof Kostyra: 2.1, 2.4.1, 2.4.2, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 3, 4, 5.1, 5.2.3, 5.2.6, 5.2.8, 5.2.9, 5.4, 5.5, 6, 7.1, 7.5, 8.2, 9, 10 Jacek Klonowski: 5.2.1, 5.2.4, 5.2.5, 7.1 Jarosław Chlebowski: 4, 5.2.1, 5.2.4, 7.2, 7.3 Tomasz Nowakowski: 5.2.2, 7.1, 8.1 Michał Sypuła: 5.2.5, 7.1, 8.1 Andrzej Łozicki: 5.2.9, 8.2, 9.5, 9.6 Jerzy Buliński: 7.1, 7.3 Stanisław Gach: 7.1, 7.3 Leszek Kotecki: 5.2.1, 7.3 Krzysztof Świątek: 5.2.1, 5.2.7, 7.1 Pracę wykonano w ramach Projektu Badawczego Własnego nr N 502 006 32/0677 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007 2010 Recenzenci: prof. dr hab. inż. Ignacy Niedziółka prof. dr hab. inż. Leszek Powierża Projekt graficzny okładki i strony tytułowej Krystyna Piotrowska Opracowanie redakcyjne Ewa Janda Redaktor techniczny Krystyna Piotrowska ISBN 978-83-7583-158-0 Wydawnictwo SGGW ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa tel. (0 22) 593 55 20 (-22; -25 sprzedaż), fax (0 22) 593 55 21 e-mail: wydawnictwo@sggw.pl www.wydawnictwosggw.pl Druk: Agencja Reklamowo-Wydawnicza A. Grzegorczyk, www.grzeg.com.pl

Spis treści Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy... 5 Przedmowa... 11 1. Wstęp... 13 2. Czynniki wpływające na jakość kiszonki oraz proces rozdrabniania materiału roślinnego w sieczkarniach polowych... 17 2.1. Jakość kiszonki z roślin kukurydzy... 17 2.2. Rozwiązania konstrukcyjne zespołów rozdrabniających... 20 2.2.1. Wprowadzenie... 20 2.2.2. Toporowy zespół rozdrabniający... 21 2.2.3. Bębnowy zespół rozdrabniający... 22 2.3. Ogólna charakterystyka obciążeń energetycznych w zespołach tnących sieczkarń... 24 2.3.1. Wprowadzenie... 24 2.3.2. Cechy konstrukcyjne elementów roboczych a obciążenie całkowite sieczkarni... 25 2.4. Cięcie materiału roślinnego... 26 2.4.1. Wprowadzenie... 26 2.4.2. Analiza przebiegu procesu cięcia... 27 2.4.3. Właściwości fizyczno-mechaniczne roślin... 30 2.4.4. Parametry eksploatacyjne... 32 2.4.5. Parametry konstrukcyjne... 39 2.5. Opory ruchu i przyśpieszenie cząstek... 44 2.5.1. Ruch cząstek wewnątrz obudowy zespołu rozdrabniającego... 44 2.5.2. Przyśpieszenie cząstek... 44 2.5.3. Tarcie cząstek... 46 2.6. Tarcie wewnętrzne mechanizmów napędowych i opory powietrza... 48 2.7. Dodatkowe elementy rozdrabniające... 49 2.7.1. Wprowadzenie... 49 2.7.2. Bierne elementy rozdrabniające... 50 2.7.3. Czynne urządzenia rozdrabniające... 54 2.8. Sposób oceny efektów energetycznych... 56 3. Zakres rozważań... 58 3.1. Zarys problemu... 58 3.2. Koncepcja miar oceny... 63 3.3. Podstawowe zagadnienia... 64 4. Modele matematyczne zapotrzebowania mocy efektywnej i energii jednostkowej do pracy zespołu rozdrabniającego wyposażonego w elementy dodatkowe... 65

4 Metodyka badań... 74 5.1. Opis stanowisk badawczych... 74 5.2. Metodyka badań laboratoryjnych... 84 5.2.1. Wprowadzenie... 84 5.2.2. Skalowanie aparatury pomiarowej... 87 5.2.3. Charakterystyka materiału przygotowanego do cięcia na sieczkę... 89 5.2.4. Właściwości wytrzymałościowe pędów kukurydzy... 90 5.2.5. Pomiary parametrów energetycznych... 95 5.2.6. Strumień materiału roślinnego... 99 5.2.7. Rozkład wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego... 101 5.2.8. Prędkość krytyczna cząstek materiału roślinnego... 103 5.2.9. Przygotowanie minisilosów i pomiary ich parametrów... 104 5.2.10. Jakość kiszonki... 105 5.3. Metodyka badań polowych... 105 5.4. Metodyka opracowania wyników pomiarowych i wskaźników kryterialnych... 109 5.5. Dokładność pomiarów... 112 6. Warunki badań... 114 6.1. Obiekty badań... 114 6.2. Zakres badań... 119 6.3. Zakres oceny jakości kiszonki... 121 7. Wyniki pierwszego etapu badań rozdrabniania roślin kukurydzy... 131 7.1. Wyniki badań stacjonarnych rozdrabniania materiału roślinnego... 131 7.2. Wyznaczenie parametrów modeli matematycznych... 155 7.3. Weryfikacja modeli matematycznych... 157 7.4. Wyniki pierwszego etapu badań... 164 7.5. Wnioski z pierwszego etapu badań... 165 8. Wstępne wyniki badań jakości kiszonki sporządzanej w formie minisilosów... 167 8.1. Charakterystyka biometryczna trzech odmian kukurydzy... 167 8.2. Wartość pokarmowa i jakość kiszonki sporządzanej z różnych odmian kukurydzy w formie minisilosów... 171 9. Wyniki drugiego etapu badań... 177 9.1. Charakterystyka biometryczna roślin kukurydzy... 177 9.2. Właściwości mechaniczne składników pędów kukurydzy... 181 9.3. Rozkłady wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego... 211 9.4. Zagęszczenie materiału roślinnego... 235 9.5. Jakość kiszonki... 252 9.6. Wnioski z drugiego etapu badań... 268 10. Podsumowanie... 275 Literatura... 285 Streszczenie... 298 Summary... 300

Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy Symbol Znaczenie Jednostka a pozioma odległość bliższej ściany bocznej gardzieli od m osi obrotu A wielkość stała dla noża b szerokość gardzieli m b 0, b 1, b 2 współczynniki doświadczalne b k, b r szerokość karbu, płaszczyzny płytki z karbami m c 2, c 3 wskaźniki wiążące współczynniki bezwładności i tarcia z parametrami konstrukcyjnymi zespołu tnącego d rodzaj płytki dennej E moduł sprężystości materiału roślinnego MPa E b, E k, E n energochłonność docinania dla biernych elementów J rozdrabniających podczas zbioru bawełny, kolb kukurydzy i łodyg kukurydzy e n grubość ostrza noża m E rk energia kinetyczna odrzucenia cząstek przez noże kj i listwy promieniowe f współczynnik zmiany składowej stycznej prędkości odrzutu odciętej porcji materiału f 0 rozstaw karbów w przekroju równoległym do osi m obrotu bębna F c, F f, siła cięcia, tarcia o obudowę zespołu tnącego, kn F fd, F s, F N o powierzchnię karbów, potrzebna do przesunięcia ściskanego materiału roślinnego, normalna do ostrza noża F cj siła jednostkowa cięcia N m 1 f k poprzeczne pokrycie sąsiednich karbów w płytce mm dennej f n rozstaw karbów w przekroju normalnym m f p współczynnik zależny od rodzaju listwy promieniowej g przyspieszenie ziemskie m s 2 h, h zg grubość warstwy materiału, głębokość na jaką materiał m jest zagęszczony h m wysokość wyrzutu sieczki m i k liczba karbów na płytce dennej K współczynnik plastyczności materiału roślinnego

6 k rodzaj łopatek rzutnika; współczynnik zmiany składowej normalnej prędkości odrzutu odciętej porcji materiału k 1, k 2 stałe, zależne od parametrów konstrukcyjnych bębna tnącego k r, współczynnik zależny od rodzaju łopatek rzutnika l d długość części karbowanej płytki dennej m L c, L n, L f, L fd, L s L j praca cięcia przypadająca na jeden obrót tarczy nożowej, warstwy materiału jednym nożem, tarcia, przecierania, ściskania w szczelinie roboczej praca jednostkowa cięcia odniesiona do jednostki powierzchni kj J m 2 l p odcinek pomiarowy m l r, l t rzeczywista i teoretyczna długość cięcia m L t energia jednostkowa toporowego zespołu rozdrabniającego odniesiona do wilgotnego materiału roślinnego J kg 1 L ts.m. m m c, m k, m p, m w, m s M a, M c, M c (ϕ), M t, M w energia jednostkowa toporowego zespołu rozdrabniającego odniesiona do suchej substancji roślinnej pionowa odległość stalnicy od osi obrotu, masa jednostkowa roślin masa materiału roślinnego transportowana przez łopatki rzutnika, materiału roślinnego kukurydzy, materiału roślinnego odciętego jednym nożem, materiału wilgotnego, sucha substancja moment obrotowy wału napędowego adaptera, cięcia, zależny od kąta obrotu, tarcia elementów roboczych, obrotowy WOM ciągnika J kg 1 s.m. m, kg m 1 kg kn m n, n d, n w prędkość obrotowa tarczy/bębna, wału napędowego obr min 1 adaptera, WOM ciągnika n e, n m liczba prób dla pomiarów i obliczeń p wielkość mimośrodowego ustawienia noża m P az, P a, P z, P w, P b, P t, P c, P v, P f, P fd, P p, P r, P p, P s, P o kw moc pobierana przez walce wciągająco-zgniatające i adapter, adapter, walce wciągająco-zgniatające, WOM ciągnika, całkowita oraz efektywna pobierana przez toporowy zespół rozdrabniający, efektywna potrzebna do pokonania oporów cięcia, nadania energii kinetycznej cząstkom materiału roślinnego, zużywana na tarcie, na przecieranie na płytce dennej, na opory powietrza, potrzebna do odrzucenia cząstek, wyrzucania cząstek do kanału wyrzutowego, ściskania cząstek w szczelinie roboczej, biegu jałowego

Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy 7 p c jednostkowy opór cięcia N m 1 p ed, p eg, ciśnienie na wejściu do dolnego i górnego silnika MPa p s hydraulicznego, na wyjściu z silników hydraulicznych Q hd, Q hg natężenie strumienia oleju skierowanego do dolnego l min 1 i górnego silnika hydraulicznego Q k plon roślin kukurydzy t ha 1 Q ks.m. plon roślin kukurydzy wyrażony w suchej substancji t s.m. ha 1 q m, q s strumień wilgotnego materiału roślinnego, suchej kg s 1 substancji roślinnej Q r plon roślin kg m 2 r rodzaj listwy promieniowej; chwilowy promień ; m wodzący środka czynnej długości noża r lk, r lp promień mierzony od osi obrotu do skrajnego m i najbliższego punktu łopatki rzutnika r t promień tarczy nożowej m s, s m szczelina robocza na wyjściu, wejściu (maksymalna) m S c, S d pole całkowite powierzchni przekroju poprzecznego m 2 łodygi i odniesione do suchej substancji S g powierzchnia przekroju poprzecznego warstwy m 2 materiału roślinnego w gardzieli s k, s s rozstaw rzędów kukurydzy, szerokość robocza m maszyny S k pole przekroju poprzecznego kanału wylotowego m 2 t c, t f, t obr, czas cyklu cięcia, ruchu materiału roślinnego po s t p powierzchni obudowy zespołu rozdrabniającego, jednego obrotu tarczy nożowej, przejazdu odcinka pomiarowego u 1, u 2, u 3 bezwymiarowe współczynniki dla kąta zaostrzenia, u m, v, v k, v p, v s, v t, v n, v tb, v w nachylenia krawędzi karbu oraz prędkości cięcia prędkość sieczki na wyjściu z obudowy zespołu rozdrabniającego, zasilania sieczkarni materiałem roślinnym przez przenośnik taśmowy, ruchu agregatu ciągnik-maszyna, powietrza, podawania materiału roślinnego przez zespół wciągająco-zgniatający, składowa styczna i normalna cząstek materiału roślinnego, obwodowa bębna zespołu tnącego, średnia obwodowa walców wciągająco-zgniatających m s 1 w, w r wilgotność roślin, względna wilgotność rzeczywista %, materiału roślinnego w s zawartość suchej substancji %

8 x 1, x 2, y 1, y 2 współrzędne położenia wierzchołków poprzecznego przekroju gardzieli wejściowej względem środka układu współrzędnych pokrywającego się z osią obrotu tarczy z liczba noży α l kąt odchylenia łopatki od promienia tarczy..., rad α k kąt pochylenia karbów na płytce dennej rad β kąt zaostrzenia noża..., rad β d, β f całkowita droga kątowa czynnej powierzchni karbów, rad droga kątowa transportu cząstek po obudowie (bez drogi obejmującej karby) β t, β td droga kątowa ruchu materiału roślinnego po dnie rad obudowy zespołu rozdrabniającego, występowania karbów γ b kąt pochylenia noża w zespole bębnowym..., rad δ L, δ P błąd względny zapotrzebowania mocy efektywnej % i energii jednostkowej odniesionej do suchej substancji δ w poślizg materiału między walcami wciągającozgniatającymi η n, η o sprawność przekładni łańcuchowej, ogólna pompy hydraulicznej κ, κ g stała charakteryzująca materiał roślinny, wskaźnik porowatości λ współczynnik empiryczny, charakteryzujący niejednorodność cząstek materiału roślinnego λ h współczynnik korekcyjny prędkości wyrzutu sieczki λ r minimalny kąt, dla którego następuje zaciśnięcie..., rad cząstek i przecinanie w nożycowym układzie tnącym μ, μ d, μ s współczynnik tarcia roślin o stal, różnica współczynników tarcia roślin o łopatki rzutnika i karby płytki dennej, współczynnik ściskania materiału w obszarze oddziaływania szczeliny roboczej ν współczynnik Poissona ξ współczynnik korekcyjny zależny od wilgotności materiału ρ s, ρ p gęstość zagęszczonego materiału roślinnego, kg m 3 powietrza σ c naprężenia tnące materiału roślinnego Pa τ kąt cięcia ślizgowego rad τ b kąt ustawienia noża względem osi obrotu w bębnowym zespole rozdrabniającym..., rad m

Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy 9 τ r kąt nachylenia karbu w stosunku do osi bębna..., rad nożowego ϕ k, ϕ, kąt zakończenia i rozpoczęcia cięcia rad r ϕ p ϕ r, ϕ rt kąt zaostrzenia karbu o wielkości nieprzekształconej,..., rad przekształcony zaostrzenia karbu, graniczny zaciśnięcia materiału roślinnego o krawędzie noża i karbu ω prędkość kątowa tarczy rad s 1

Przedmowa Tematem nadrzędnym monografii jest zagadnienie z zakresu inżynierii rolniczej obejmujące problematykę rozdrabniania materiału roślinnego kukurydzy zbieranej sieczkarnią polową, wyposażoną w toporowy zespół tnący, którego działanie jest wspomagane elementami dodatkowymi. W pracy zaprezentowano wyniki badań teoretycznych i eksperymentalnych dotyczących efektów wymuszeń elementów roboczych na materiał roślinny ocenianych w aspekcie energetycznym i jakościowym. Właściwe rozdrobnienie składników pędu kukurydzy, w tym ziaren jest ważne ze względu na nowe podejście do wymagań żywieniowych bydła. Z tego powodu problematykę rozdrobnienia materiału roślinnego przedstawiono w interdyscyplinarnym wymiarze. Rezultaty rozdrobnienia ujęto w postaci geometrycznych i aerodynamicznych charakterystyk rozkładów wymiarów cząstek w relacji z parametrami zagęszczania materiału i przedstawiono jako propagację gęstości wzdłuż osi cylindrycznych minisilosów. Efekty jakościowe wzajemnego oddziaływania elementów dodatkowych wspomagających rozdrabnianie ziaren i rozrywanie pozostałego materiału roślinnego kukurydzy scharakteryzowano parametrami wartości pokarmowej i jakościowymi kiszonki. Z przedstawionego zakresu tematycznego wynika, że niniejsza publikacja jest przeznaczona zarówno dla pracowników naukowych z dyscypliny inżynieria rolnicza, jak i nauk o zwierzętach. Może być również wykorzystana przez studentów kierunków rolniczych, zootechnicznych, a także technicznych specjalizujących się w inżynierii rolniczej. Treści zawarte w niej mogą być również inspiracją dla producentów maszyn rolniczych oraz praktyków z branży rolniczej i zootechnicznej. Monografia jest publikacją niekonwencjonalną, gdyż stanowi rozważania o zjawiskach rozdrabniania materiału roślinnego w ujęciu ogólnym oraz w odniesieniu do dodatkowych elementów roboczych stosowanych w sieczkarniach polowych z toporowym zespołem tnącym. Takie ujęcie zagadnienia wynikało z potrzeby spełnienia wymagań związanych z realizowanym grantem, którego owocem jest niniejsza publikacja. Prezentowaną monografię przygotowano bowiem w ramach projektu badawczego własnego N 502 006 32/0677 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007 2010 pt. Wpływ dodatkowych elementów toporowego zespołu tnącego na rozdrabnianie ziaren i roślin kukurydzy zbieranej na kiszonkę. Z tego powodu nie wyczerpuje w pełni problematyki rozdrabniania materiału roślinnego przeznaczonego na kiszonkę.

12 Niniejsza monografia jest efektem pracy całego zespołu badawczego pracowników Katedry Maszyn Rolniczych i Leśnych, którym serdecznie dziękuję za przeprowadzenie badań stacjonarnych i polowych oraz za przygotowanie oryginalnych stanowisk pomiarowych, spośród których dwa były przedmiotem zgłoszeń patentowych. Dziękuję również doktorantom i studentom, którzy brali czynny udział w badaniach na różnych etapach ich realizacji. Serdecznie dziękuję recenzentom, prof. dr. hab. inż. Leszkowi Powierży i prof. dr. hab. inż. Ignacemu Niedziółce za cenne uwagi i porady, które przyczyniły się do udoskonalenia tej monografii. Aleksander Lisowski

1 Wstęp Osiągnięcie jak najlepszych efektów wykorzystania przez przeżuwacze paszy podawanej w postaci kiszonki zależy między innymi od stopnia rozdrobnienia surowca. Ze względu na proces zakiszania roślin, jak też z powodów żywieniowych, pożądana jest krótka i równomierna sieczka. Charakteryzuje się ona lepszą zdolnością do zagęszczenia, dzięki czemu łatwiej się zakisza. Zawarte w niej składniki pokarmowe są lepiej przyswajane przez organizm zwierzęcia w procesie trawienia, ponieważ dostęp soków trawiennych do wewnętrznej struktury rośliny jest łatwiejszy. W przypadku kiszonki z całych roślin kukurydzy o wysokiej wartości paszy decyduje również duży udział ziaren zgniecionych lub uszkodzonych, gdyż to w takiej formie zawarte składniki odżywcze w ziarnie są najbardziej dostępne (Podkówka 1995, Michalski 1997, Brzóska 2003, Podkówka 2003). Sieczka nie powinna być jednak zbyt krótka. Mniejsze cząstki są krócej przeżuwane i z tego powodu wytwarzana jest mniejsza ilość śliny biorącej udział w trawieniu. Pokarm taki utrzymuje się również krócej w żwaczu i z tego powodu jest mniej dostępny przez jego mikroorganizmy fermentacyjne (Bal 1998, Schwab i in. 2002). Wymagane rozdrobnienie materiału roślinnego może być osiągnięte za pomocą sieczkarń dokładnego cięcia. Ich zespoły tnące skonstruowane są tak, że możliwe jest regulowanie długości cięcia. W przypadku sieczki z całych roślin kukurydzy, uzyskanie wysokowartościowej paszy, z dużą zawartością uszkodzonych ziaren możliwe jest przez ustawienie bardzo małej teoretycznej długości cięcia. Łatwiejsze jest wówczas osiągnięcie wymaganych 95 98% uszkodzonych ziaren (System maszyn rolniczych 1987). Ponieważ realizuje się to przez wykonanie dużej liczby cięć na minutę, więc proces ten jest bardzo energochłonny, a dodatkowo zbyt duże rozdrobnienie może nawet prowadzić do niekorzystnych efektów żywieniowych. Dlatego obecnie jednym z kierunków rozwoju konstrukcji sieczkarń jest zastosowanie dodatkowych elementów wspomagających rozdrabnianie, które w wyniku wymuszonego działania na cząstki, odcięte przez zespół tnący, powodują rozdrobnienie, zgniecenie lub uszkodzenie okrywy ziarna (Przybył 1995).

14 Sieczkarnie dokładnego cięcia produkowane są z toporowym lub bębnowym zespołem rozdrabniającym. Ze względu na zwartą i prostą konstrukcję toporowy zespół rozdrabniający jest rozwiązaniem bardzo korzystnym pod kątem cech użytkowych. Jego charakterystycznym zespołem jest tarcza z zamocowanymi promieniowo nożami i osią obrotu ustawioną prostopadle do płaszczyzny cięcia. Oprócz prostej konstrukcji, do zalet tego zespołu należy zaliczyć również bardzo dobre rozdrobnienie materiału roślinnego i duży zasięg wyrzutu sieczki, co ułatwia jej załadunek na środki transportowe. Wadą jego jest niska przepustowość, która praktycznie zdecydowała o stosowaniu ich w maszynach zawieszanych i przyczepianych. Praca tego zespołu jest również energochłonna, gdyż w bilansie całej maszyny pobór mocy przez ten zespół może dochodzić nawet do 88% i jest on zależny od wielu czynników związanych zarówno z jego parametrami konstrukcyjnymi, właściwościami materiału roślinnego, jak i parametrami eksploatacyjnymi (Lisowski 2001). Mimo znacznych osiągnięć, związanych z wyjaśnieniem wpływu poszczególnych czynników na proces rozdrabniania materiału roślinnego, cały czas dąży się do optymalizacji parametrów roboczych zespołu oraz poszukuje nowych rozwiązań konstrukcyjnych w celu osiągnięcia lepszych efektów rozdrabniania przy jednoczesnym obniżeniu nakładów energetycznych (Kanafojski 1980, O Dougherty 1982, Roszkowski 1987, Savoie i in. 1989, Singh 1991, Pintara 1999, Mójta i in. 2000, Lisowski i in. 2001, Lisowski 2003). W sieczkarniach stosuje się różne elementy wspomagające rozdrabnianie materiału roślinnego. Są to: płytki denne, karbowane łopatki rzutnika, listwy promieniowe, kraty docinające i walce zgniatająco-rozcierające. Elementy te różnią się między sobą konstrukcją oraz sposobem oddziaływania na cząstki. Mogą one powodować docinanie, gniecenie, rozcieranie lub rozbijanie materiału roślinnego. Stosuje się elementy czynne lub bierne. W różnym stopniu wpływają one na nakłady energetyczne oraz jakość uzyskanej sieczki. Dlatego bardzo trudno jest wskazać najbardziej korzystne rozwiązanie, co potwierdza potrzebę ich poszukiwania oraz poznania zjawisk zachodzących podczas ich działania (Gieroba i Niedziółka 1988 i 1994, Valiev 1989, Przybył 1995, Dulcet 1997, Dmitrewski i in. 1998 i 2000, Mójta i in. 2000, Lisowski 2003 i 2004, Niedziółka 2004). Obecnie brak jest spójnych badań, które pozwalałyby na usystematyzowanie wiedzy w tym zakresie. Urządzenia docinające powodują wyraźny wzrost zapotrzebowania energii, co jest przyczyną ograniczenia ich stosowania do warunków niezbędnych (Roszkowski 1987). Według innych autorów wzrost ten jest nieznaczny i zależny od wielu różnorodnych czynników. Dernedde i Peters (1976) zaprezentowali wyniki świadczące, iż zastosowanie krat docinających o dużych otworach i przy małym strumieniu materiału rozdrabnianego nie tylko nie zwiększyło zapotrzebowania na nakłady energetyczne, ale dzięki temu,

Wstęp 15 że przez większe otwory łatwiejszy był przepływ powietrza, zapotrzebowanie mocy było mniejsze. Roberge i Peters (1998) zauważyli, że zapotrzebowanie mocy do dodatkowego rozdrabniania (rozrywanie, rozcieranie) było znacząco mniejsze niż mocy potrzebnej na cięcie. Można zatem wnioskować, iż korzystniejsze ze względów energetycznych byłoby cięcie na dłuższe odcinki za pomocą zespołu tnącego, po czym bardziej intensywne, dodatkowe rozdrabnianie. Jak podaje Shaver (2002), mogłoby to być również korzystniejsze ze względów żywieniowych. Zmniejszenie obciążeń energetycznych może wynikać z innego procesu wymuszeń dodatkowych elementów rozdrabniających niż tego, który zachodzi podczas cięcia poprzecznego. To spostrzeżenie wynika między innymi z badań Shinnersa i in. (1987), którzy stwierdzili, że energia cięcia wzdłużnego wynosiła około 10% energii cięcia poprzecznego, w przeliczeniu na jednostkę powierzchni macerowanej lucerny, co może być kolejnym argumentem odnoszącym się do korzystniejszego oddziaływania elementów docinających. Brak jest także modeli teoretycznych wyjaśniających zjawiska zachodzące podczas wzajemnej współpracy dodatkowych elementów roboczych. Istnieją jedynie analizy oddziaływania ich wybranych konstrukcji, głównie na pojedyncze cząstki materiału roślinnego lub ziarna (Valiev i Gubajdulin 1986 i 1989, Valiev 1989). Nie ma zatem możliwości obiektywnego porównania wpływu tych elementów na efekty rozdrabniania ziaren w mieszaninie roślin oraz obciążeń energetycznych, występujących podczas wymuszeń pochodzących od elementów roboczych. Dotychczasowe badania zespołów rozdrabniających koncentrowały się głównie na cięciu materiału roślinnego. W najbardziej podstawowych rozważaniach wykazano zależność energii lub oporu cięcia od takich czynników, jak: właściwości fizyczno-mechaniczne materiału roślinnego, grubość warstwy przecinanego materiału, geometria układu nóż-stalnica oraz parametry techniczne i eksploatacyjne. W zakresie geometrii i ustawienia noża badano kąty cięcia, przyłożenia, zaostrzenia noża, jego ustawienia względem kierunku ruchu oraz szczeliny między nożem a stalnicą (Chancellor 1958, Reznik 1967, Kanafojski 1980). Określano optymalne, ze względów energetycznych, wielkości zmienne położenia noża, takie jak prędkość i kierunek jego ruchu (Prasad i Gupta 1975, McRandal i McNulty 1980, Shinners i in. 1989). Badania dotyczyły również parametrów technicznych i eksploatacyjnych, wśród których do najważniejszych należały prędkość obrotowa tarczy nożowej i ilość noży (Savoie i in. 1989, Lisowski i in. 2001 i 2003). Spośród cech fizyczno-mechanicznych materiału roślinnego uwzględniano wilgotność, gatunek rośliny i jej stadium dojrzałości. Wnioski wynikające z wielu niezależnych badań pozwalają na wskazanie optymalnych parametrów pracy samego zespołu rozdrabniającego. Przy stoso-

16 waniu nowych elementów konstrukcyjnych potrzebne będą jednak dalsze badania wyjaśniające ich wpływ na obciążenia energetyczne. Ze względu na złożoność występujących zjawisk fizyczno-mechanicznych trudne jest określenie ich wielkości i charakterystyki. Sformułowane współzależności między już poznanymi czynnikami sugerują, iż zapotrzebowanie energii do dodatkowego rozdrabniania musi być rozpatrywane z uwzględnieniem również głównych parametrów technicznych maszyny. Dopiero poznanie charakteru wymuszeń i zachodzących zjawisk w ścisłej współzależności od szerokiego spektrum parametrów pozwoli na zoptymalizowanie konstrukcji elementów wspomagających rozdrabnianie materiału roślinnego (Lisowski i in. 2007, 2008a, b, i c). Można zatem stwierdzić, iż zasadne jest prowadzenie badań związanych z wyjaśnieniem wpływu parametrów technicznych i eksploatacyjnych na zapotrzebowanie energetyczne zespołu rozdrabniającego. Odnosi się to zwłaszcza do dodatkowych elementów roboczych toporowego zespołu rozdrabniającego, o których informacje w dostępnej literaturze są fragmentaryczne i ograniczone. Opisane w tej pracy badania wykonano w całości w Katedrze Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie.

2 Czynniki wpływające na jakość kiszonki oraz proces rozdrabniania materiału roślinnego w sieczkarniach polowych 2.1. Jakość kiszonki z roślin kukurydzy Jednym z istotniejszych czynników, warunkujących efektywność ekonomiczną funkcjonowania gospodarstw rolnych, specjalizujących się w produkcji zwierzęcej, jest zapewnienie jak najlepszych warunków żywienia. Przygotowanie odpowiedniej jakości paszy należy zaliczyć do podstawowych celów organizacji produkcji. Obecnie bardzo wydajnymi roślinami pastewnymi są kukurydza oraz lucerna, z których to ta pierwsza, z uwagi na korzystne wskaźniki ekonomiczne, zyskuje na popularności w naszym kraju. Powierzchnia uprawy kukurydzy na kiszonkę i zielonkę w Polsce zwiększa się systematycznie od końca lat 90. XX wieku (rys. 2.1, GUS 2009). Roślina ta może być uprawiana od wczesnej wiosny aż do jesieni, a technologie uprawy i zbioru umożliwiają uzyskanie pasz objętościowych o zróżnicowanym składzie i zastosowaniu w żywieniu zwierząt (Michalski 2004). Wszechstronność tej rośliny jednocześnie przekłada się na dużą ilość czynników, warunkujących jakość uzyskanej paszy. Należy tu wymienić przede wszystkim termin zbioru, zastosowaną w uprawie odmianę, przeznaczenie oraz bardzo istotną technologię zbioru. W zakresie tej ostatniej można wymienić czynniki związane z rodzajem stosowanych maszyn w trakcie zbioru, zarówno ich parametry techniczne, jak i nastawy eksploatacyjne, które wpływają na strukturę rozkładu wymiarów cząstek sieczki, dalszy przebieg procesu przygotowania kiszonki, a w końcu wartość pokarmową paszy. Najbardziej istotną, ze względów żywieniowych, a jednocześnie najbardziej wymagającą ekonomicznie cechą sieczki jest stopień rozdrobnienia materiału roślinnego. Wynika to przede wszystkim z dużych nakładów materiałowo-energetycznych ponoszonych na rozdrabnianie (Michalski 1997). Aby osiągnąć jak najlepsze efekty żywieniowe, pasza objętościowa z kukurydzy musi być odpowiednio rozdrobniona przed bezpośrednim skarmianiem lub

18 Powierzchnia, tys. ha 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1989 404 415 415 384 359 339 349 372 325 305 314 321 240 244 326 309 317 223 224 200 223 225 230 250 286 185 257 170 181 150 154 148 145 146 162 237 133 180 196 152 59 65 59 53 50 48 1990 1991 Ziarno Kiszonki i zielonki Ogó em 1992 1993 1994 1995 69 77 85 104 1996 1997 1998 zakiszaniem. Jak wynika z wielu prac badawczych, w celu lepszego przyswajania poszczególnych składników odżywczych powinno się dążyć do uzyskania dość krótkiej sieczki i jak największego stopnia rozdrobnienia ziaren kukurydzy. To właśnie uszkodzenie okrywy owocowo-nasiennej oraz większe rozdrobnienie łodyg i liści powodują, że białko surowe jako składnik energetyczny podlega bardziej efektywnemu procesowi syntezy przez mikroorganizmy żwacza i, podobnie jak w przypadku skrobi, jego wartość energetyczna może być lepiej wykorzystana przez krowę. Zwiększenie dostępności składników odżywczych przez rozdrobnienie roślin wzmaga jednocześnie szybkość trawienia u przeżuwaczy. Czynniki te potęgują się wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru cząstek roślin, które wynikają z teoretycznej długości cięcia, ustalanej za pomocą odpowiednich nastaw maszyny (Michalski 1997, Bal 1998, Shaver 2004). Dla właściwego przebiegu trawienia wielkość cząstek paszy nie powinna być jednak nadmiernie zmniejszana. Po pierwsze mniejsze bowiem cząstki są krócej przeżuwane, skutkiem czego wytwarzana jest mniejsza ilość śliny biorącej udział w trawieniu, a po drugie utrzymują się one krócej w żwaczu, przez co w mniejszym stopniu są dostępne dla mikroorganizmów fermentacyjnych, które występują w środowisku żwacza. Jak podają Schwab i in. (2002), całkowita strawność włókna neutralno-detergentowego NDF jest mniejsza dla drobnej sieczki niż dla gruboziarnistej lub niepoddanej rozdrabnianiu. Chociaż strawność skrobi była większa dla sieczki rozdrabnianej niż dla nierozdrobnionej, zaleca on stosowanie większych długości cięcia (22 mm) oraz rozdrabnianie (docina- 1999 2000 2001 517 2002 596 2003 701 2004 665 658 629 Rysunek 2.1. Powierzchnia uprawy kukurydzy na ziarno, kiszonkę i zielonkę oraz ogółem w Polsce w latach 1990 2008 (GUS 2009) Lata 2005 2006 2007 732 2008 2009

Czynniki wpływające na jakość kiszonki... 19 nie) z wykorzystaniem dodatkowych elementów wspomagających, co zapewni większe spożycie suchej substancji i większą wydajność mleczną krów. Jest to tym ważniejsze, że przy braku odpowiedniej ilości dłuższych cząstek może dojść do zaburzeń metabolicznych u krowy, podobnych do tych, jakie występują przy braku dostatecznej ilości włókna, to znaczy zmniejszenia strawności suchej substancji, zmniejszenia zawartości procentowej tłuszczu w mleku, przesunięcia trawieńca, zwiększenia zakresu zrogowacenia żwacza, stanu zapalnego ksiąg, kwasicy i syndromu stłuszczenia krowy (Sudweeks i in. 1981). Spośród kilku zasad towarzyszących poprawnemu przygotowaniu kiszonki w silosach jedną z istotniejszych jest również właściwe rozdrobnienie materiału roślinnego. Umożliwia ono lepsze ugniecenie nawet suchego i twardego materiału roślinnego i usunięcie zbędnej ilości tlenu z przestrzeni między cząstkami, co zapobiega zużyciu węglowodanów i cukrów na przedłużone oddychanie materiału biologicznego. Polepsza się także dostęp bakterii kiszonkowych do wnętrza komórek, co zwiększa efektywność procesu zakiszania (Wheaton 1993). Z badań Allena i in. (1997), Podkówki i Podkówki (2004a) wynika, że najlepsze warunki zakiszania uzyskuje się przy wilgotności materiału roślinnego w zakresie 65 70%, ale w dalszym ciągu ważnym czynnikiem, warunkującym przebieg zakiszania, jest stopień ugniecenia materiału wewnątrz silosu oraz istotne jest jego pocięcie na krótkie cząstki, gdyż oba te czynniki wzajemnie się wzmacniają i osiąga się efekt synergii w odniesieniu do jakości otrzymanej paszy. Zbiór kukurydzy na kiszonkę przy wilgotności poniżej 65% wymaga dokładniejszego rozdrabniania roślin, a przy wilgotności większej od 70% powoduje zwiększenie strat związanych z przeciekami i wyciekami soku kiszonkowego (Nowak 1999 i 2000, Gach 2005a i b). Powyższe dane świadczą o korzystnym wpływie rozdrobnienia roślin na jakość paszy zarówno jako kiszonki, jak i materiału podawanego bezpośrednio skarmianiu. Bardzo istotne jest jednak zachowanie odpowiedniej charakterystyki uzyskanej sieczki. Powinna ona być na tyle krótka, aby mogła być efektywnie i szybko zjadana przez zwierzęta, z wykorzystaniem w maksymalnym stopniu zawartych w paszy składników odżywczych, a jednocześnie na tyle długa, aby zwiększyć efektywność trawienia i zmniejszyć straty, związane z tym procesem. Podczas zbioru roślin sieczkarnią dokładnego cięcia należy zatem starannie wykonać odpowiednie nastawy parametrów roboczych maszyny i w pełni wykorzystać jej funkcjonalność, aby w końcowej fazie uzyskać jak najlepszą paszę i osiągnąć korzystne efekty żywieniowe. Konieczne jest także zwrócenie uwagi na jeszcze jeden aspekt, który związany jest z wielkością rozdrobnienia. Odnosi się on do zmiany materiału roślinnego, jaka zachodzi na różnych etapach jego przetwarzania (De Boever i in. 1993, Heinrichs i in. 1999). Dotyczy to zarówno rozdrabniania w sieczkarni, jak i niezamierzonego zmniejszania cząstek mate-

20 riału pod wpływem oddziaływania innych urządzeń biorących udział w procesie przygotowania paszy. W operacjach tego złożonego procesu mogą być wykorzystane różnego rodzaju ładowacze, przenośniki i wozy paszowe. Suma wymuszeń elementów roboczych maszyn na składniki mieszaniny może spowodować, iż cząstki o długości większej niż 27 mm mogą zmniejszyć się nawet o połowę. Nie da się całkowicie zapobiec tym zmianom, nawet przy zachowaniu największej staranności wykonania poszczególnych czynności. Odpowiednie zagęszczenie, obok prawidłowego rozdrobnienia roślin, jest warunkiem koniecznym do uzyskania prawidłowej fermentacji, która decyduje o wysokiej jakości kiszonki. Problematyka badawcza z tego zakresu jest prowadzona przez zespoły interdyscyplinarne, a celem badań jest doskonalenie sporządzania kiszonki w pryzmach, silosach przejazdowych i rękawach foliowych (Chlebowski in. 2006). Każda z tych metod ma pewne ograniczenia powodujące, że końcowa jakość powstałej paszy jest często niezadowalająca (Gach 2005b). Ponadto badania wykonywane w warunkach naturalnych wiążą się z dużymi kosztami, zwłaszcza wówczas, gdy są prowadzone w kombinacji kilku zróżnicowanych czynników. Dlatego też przeprowadzono badania wstępne z wykorzystaniem minisilosów, które przygotowano w warunkach laboratoryjnych (Łozicki i in. 2008). Pozytywne wyniki tych badań stały się impulsem do opracowania profesjonalnej prasy do zagęszczania materiału roślinnego i zbadania czynników decydujących o jakości kiszonki. Formując minisilosy w warunkach laboratoryjnych, zwiększamy pewność uzyskania paszy o optymalnej jakości i dużej powtarzalności, ze względu na eliminację wielu czynników zakłócających, które występują w warunkach polowych. Kiszonka uzyskana w warunkach laboratoryjnych może być odnośnikiem, do którego porównuje się jakość paszy uzyskanej innymi metodami w warunkach polowych. 2.2. Rozwiązania konstrukcyjne zespołów rozdrabniających 2.2.1. Wprowadzenie Sieczkarnie polowe dokładnego cięcia są w nowoczesnej technice rolniczej podstawowymi maszynami w wielu technologiach zbioru zielonek. Budowane są jako zawieszane, półzawieszane, przyczepiane i samojezdne. Są to maszyny uniwersalne, przystosowane zarówno do zbioru z pnia, jak i do podbierania i cięcia na sieczkę podsuszonych zielonek przeznaczonych na sianokiszonkę. W zależności od rodzaju i przeznaczenia zbieranego materiału sieczkarnie wyposaża się w jeden z adapterów: zespół tnący do zbioru roślin niskołodygowych, zespół