Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 15
Значение воды для сельскохозяйственных животных 15
Пастбищные и водные ресурсы Западного Казахстана 19
Основные этапы использования и обводнения пастбищ 19
Пастбища Западного Казахстана и его ресурсы 25
Обводнение и водные ресурсы Западного Казахстана 28
1.3. Существующие способы, технологии и технические средства
водоснабжения животных в пастбищных условиях 34
Способы и технологии водоснабжения 34
Анализ трубопроводного способа водоснабжения 38
Анализ исследований по определению радиуса водопоя 42
Классификация и анализ технических средств подъема воды 46
Капиллярные водоподъемники 60
Классификация и общий анализ капиллярных водоподъемников 60
Анализ конструктивно-технологических схем водоподъемников 66
Состояние исследований рабочего процесса капиллярных водоподъемников '. 84
1.4. Цель и задачи исследования 92
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОЦЕССА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИВОТНЫХ В ПАСТБИЩНЫХ УСЛОВИЯХ 98
2.1. Теоретические предпосылки и пути повышения эффективности
процесса механизированного водоснабжения 98
Обоснование и разработка методики определения рационального радиуса водопоя 128
Разработка высокоэффективной трубопроводной системы водоснабжения пастбищного животноводства 141
2.4. Обоснование и разработка принципиально новых технологий и
технических средств механизации водоснабжения 161
Разработка технологий водоснабжения животных на основе использования шахтного колодца 161
Модуль двухстадийного отбора воды из шахтного колодца 163
Обоснование конструктивно-технологической схемы модуля 163
Обоснование конструктивно-режимных параметров модуля 169
Обоснование технологий водоснабжения животных на основе использования шахтного колодца 184
Усовершенствованный ленточный водоподъемник 197
2.4.4.1. Обоснование перспективной конструктивно-технологической
схемы ленточного водоподъемника 197
2.4.4.2. Математическая модель рабочего процесса ленточного
водоподъемника 201
Обоснование геометрии перфорации рабочей поверхности ведущего шкива ленточного водоподъемника 212
Энергоемкость процесса подъема воды ленточным водоподъемником 216
2.5. Выводы по разделу 222
3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 225
Программа и общая методика экспериментальных исследований 225
Описание лабораторных установок 226
Стенд для определения коэффициента трения скольжения ленты по футеровке ведущего шкива водоподъемника 226
Стенд для исследования ленточного водоподъемника 23 0
Стенд для определения коэффициента расхода водоотборного устройства модуля 23 7
3.3. Методика экспериментальных исследований 241
3.3.1. Определение коэффициента трения скольжения ленты по
футеровке ведущего шкива водоподъемника 241
Определение основных конструктивно-режимных параметров ленточного водоподъемника 244
Определение коэффициента расхода водоотборного устройства модуля 246
3.4. Выводы по разделу 248
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ. 249
Анализ результатов исследования геометрии перфорации рабочей поверхности ведущего шкива ленточного водоподъемника 249
Анализ результатов исследования ленточного водоподъемника 257
Оптимальный диаметр ведущего шкива водоподъемника 257
Оптимальная масса натяжного устройства водоподъемника 261
Зависимости скорости движения и коэффициента относительного скольжения ленты от частоты вращения ведущего шкива водоподъемника 264
Зависимости величины подачи и энергоемкости ленточного водоподъемника от частоты вращения ведущего шкива 267
Зависимости величины подачи и толщины слоя жидкости на ленте
от скорости движения ленты водоподъемника 270
4.2.6. Рабочие характеристики водоподъемника 277
Анализ результатов исследования водоотборного устройства модуля.... 280
Выводы по разделу 285
5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ 287
5.1. Производственные испытания ленточного водоподъемника 287
Краткая характеристика условий испытания водоподъемника 287
Результаты производственного испытания водоподъемника 288
5.2. Производственная проверка технологии двухстадийного отбора
воды из шахтного колодца 291
5.2.1. Краткая характеристика условий проверки технологии 291
5.2.2. Результаты производственного испытания модуля двухстадийного
отбора воды из шахтного колодца 293
5.3. Экономическая эффективность разработанного ленточного
водоподъемника 298
5.4. Экономическая эффективность технологического процесса подъема воды
из шахтного колодца с использованием модуля двухстадийного
отбора воды 302
5.5. Экономическая эффективность трубопроводной системы водоснабжения
пастбищного животноводства 304
5.6. Выводы по разделу 312
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 313
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 318
ПРИЛОЖЕНИЯ 344
Введение к работе
В послании Президента народу Казахстана «Казахстан-2030. Процветание, безопасность и улучшение благосостояния всех казахстанцев», сельское хозяйство, с позиции возможностей и конкурентоспособности, отнесено к числу наиболее важных и перспективных отраслей, развитию которого отводится среднесрочный приоритет [1]. Кроме того, в документах Правительства Республики Казахстан отмечается, что на среднесрочную перспективу одним из основных приоритетов достижения динамичного роста экономики страны должно стать повышение устойчивости системы обеспечения продовольственной безопасности [1].
В государственной агропродовольственной программе Республики Казахстан на 2003-2005 годы, предусмотрено, на основе укрепления кормовой базы животноводства, использования достижений генетики и селекции, а также производства конкурентоспособной продукции отечественного сельскохозяйственного машиностроения, улучшения ветеринарного обслуживания, существенно повысить продуктивность и улучшить сохранность животных и тем самым обеспечить устойчивый рост производства продукции животноводства. Необходимо, в частности, довести в 2005 году производство мяса до 735 тыс. тонн (в убойном весе), шерсти до 27 тыс. тонн [2].
Агропродовольственная программа Республики Казахстан предусматривает производство конкурентоспособной продукции животноводства ориентировать на низкозатратную технологию, основанную на максимальном использовании экологических возможностей естественных пастбищных угодий [2].
Оставаясь основным источником дешевого и наиболее ценного зелёного корма, природные пастбища позволяют в короткие сроки осуществить эффективный нагул животных и получить высококачественную продукцию с низкой себестоимостью. Тем не менее1;''пастбищные угодья нельзя рационально использовать без своевременного обеспечения выпасаемых животных доброкачественной водой.
Вода - первая необходимейшая субстанция жизни [3].
Общеизвестно, что все живое на земле состоит главным образом из воды. Для сельскохозяйственных животных вода крайне необходима, так как составляет 45...70 % их организма, участвует в биологических процессах, протекающих в организме животных и терморегуляции. Обмен веществ возможен только при условии, когда питательные вещества и продукты обмена растворены и находятся в движении. Главным растворителем для них служит вода. С водой в различные части тела доставляются питательные вещества, и с ней же из организма животных уносятся ненужные и вредные для него продукты обмена [3,4].
Свободный доступ к воде умеренной температуры способствует использованию концентрирующейся в теле энергии на образование продукции - молока, мяса, жира, шерсти и т.д.
Исследованиями выявлено, что при нормальном кормлении доброкачественная вода способствует повышению удоя у коров на 25-30 %, приросту живой массы нагульных животных до 7-10 % и дополнительному настригу шерсти в пределах 8-Ю % [5, 6, 7].
Такие факторы как физиологическое состояние, возраст и масса тела, порода, продуктивность, состав корма, метеорологические условия, температура воды, а также индивидуальные привычки животных являются определяющими потребность животных в воде.
С гигиенической точки зрения целесообразно удовлетворять животных питьевой водой вволю, давать ее многократно, лучше через равные промежутки времени. Специальными исследованиями установлено, что у взрослых овец и ягнят, получавших на пастбище воду вволю, в 2,9 раза увеличивался прирост живой массы, в 1,1 раза длина туловища и в 1,5 раза прирост шерсти [5].
Недостаток воды в организме отрицательно влияет на потребление корма животными, при этом, чем сильнее жажда, тем ниже потребление питательных веществ. Естественно, уменьшение потребления корма приводит к снижению продуктивности сельскохозяйственных животных. Потеря 20-25 %, содержащихся в теле воды, приводит к гибели животных [3].
Поэтому водоснабжение является весьма важным технологическим процессом при пастбищном содержании животных.
По вопросам механизации процесса водоснабжения пастбищного животноводства выполнено не мало научных работ. Между тем, отсутствуют комплексные исследования процесса пастбищного водоснабжения сельскохозяйственных животных в рыночных условиях хозяйствования, методология и теоретические основы определения экологически безопасного радиуса водопоя. Остаются проблемными вопросы использования высокодебитных водоисточников для обеспечения водой животных на выпасных участках трубопроводным способом, механизации процесса подъема воды из заиленных и пескующих шахтных колодцев, разработки теоретических основ создания и совершенствования, широко применяемых в пастбищной практике ленточного водоподъемника. Имеющиеся технические решения по устранению недостатков этих водоподъемников несовершенны и требуют дополнительного рассмотрения. Поэтому исследования, направленные на повышение эффективности процесса и технических средств механизации водоснабжения животных в пастбищных условиях, являются актуальными и имеют большую значимость для науки и практики.
Работа выполнена в соответствии с планом Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в Агропромышленном комплексе Поволжского экономического района на 20 лет до 2010 г.» (№ 840005200), с комплексной темой № 4 НИР ФГОУ ВПО « Саратовский ГАУ им. Вавилова» и согласуется с отраслевыми научно-техническими программами Министерства образования и науки РК: «Научное обеспечение агропромышленного комплекса Республики Казахстан на 1996-2000 гг.» и «Научное обеспечение производства, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции по регионам Казахстана на 2001-2005 гг»,
Объекты исследования. Технологические процессы, механизированные системы и технические средства водоснабжения животных в пастбищных условиях.
Предметом исследования является установление закономерностей создания эффективных механизированных систем и функционирования принципиально новых технологий и технических средств водоснабжения пастбищного животноводства.
Методика исследования. Методологическими основами и источниками настоящего исследования явились труды ведущих ученых в области технологии и средств механизации сельского хозяйства: Булавина С.А., Вагина Б.И., Гусейнова Р.Г., Доценко СМ., Ермичева В.А., Завражнова А.И., Карташова А.П., Коба В.Г., Кормановского Л.П., Мельникова СВ., Некрашевича В.Ф., Овчинникова А.А., Огородникова П.И., Саванкулова ILL, Сейтбекова Л.С., Славина P.M., Тажибаева Л.Е., Усаковского В.М., Хелленова О.Б., Цой Ю.А. и других.
Изучение технологических процессов, соответствующих параметров и основных показателей технических средств осуществлялось путем теоретического анализа с последующей экспериментальной проверкой их достоверности и работоспособности в лабораторных и производственных условиях.
В процессе теоретических исследований использовались методы системного анализа, функционально-стоимостного анализа, математического анализа, технической гидромеханики, теоретической и прикладной механики.
При экспериментальных исследованиях использовались классический метод проведения экспериментов, стандартные методики испытаний с применением современной измерительной и регистрирующей аппаратуры, а также специально разработанных установок и приспособлений.
Вычислительные эксперименты, расчеты и использование методов математической статистики для обработки экспериментальных данных проводились на ЭВМ с применением прикладных пакетов программного обеспечения Statis-tica, MathCAD и Excel.
Достоверность результатов теоретических предпосылок подтверждается хорошей сходимостью с результатами экспериментальных исследований.
Экономическая эффективность разработок определялась по стандартной методике для научно-исследовательских работ и новой техники.
Научная новизна. Впервые для условий Западного Казахстана на основе полученных автором научно обоснованных результатов, дано решение крупной научной проблемы повышения эффективности процесса и технических средств механизации водоснабжения пастбищного животноводства, имеющей важное хозяйственное значение.
Научная новизна диссертации заключается в системном подходе к решению весьма актуальной проблемы и получении новых, имеющих научную и практическую значимость результатов, что подтверждается следующим:
впервые разработана информационно-структурная схема процесса производства продукции животноводства в пастбищных условиях;
разработаны классификации средств механизации подъема воды в пастбищных условиях и капиллярных водоподъемников;
установлены закономерности создания эффективных механизированных систем при различных способах водоснабжения;
разработаны новый аналитический метод и компьютерная программа «СУА-РУ» по определению рационального радиуса водопоя сельскохозяйственных животных;
на основе предложенной методики, разработана высокоэффективная трубопроводная система водоснабжения пастбищного животноводства;
впервые разработаны теоретические основы и доказана перспективность технологий водоснабжения из шахтных колодцев с использованием модуля двух-стадийного отбора воды;
получена математическая модель, адекватно описывающая рабочий процесс ленточного водоподъемника и установлены его оптимальные конструктивно-режимные параметры;
Новизна предлагаемых технических решений по рассматриваемой проблеме подтверждается 9 авторскими свидетельствами на изобретения и 1 предварительным патентом.
Научная значимость результатов исследования. Установлены закономерности создания эффективных механизированных систем водообеспечения
12 сельскохозяйственных животных в пастбищных условиях при различных способах водоснабжения. Развита стационарная одномерная теория вертикального подъема капельной ньютоновской жидкости плоской лентой. Аналитически обоснована методика определения экологически безопасной величины радиуса водопоя для различных видов и половозрастных групп животных. Показана целесообразность и экономическая эффективность применения технологии и модуля двухстадийного отбора воды из шахтного колодца.
Практическая ценность работы. Разработана совокупность мероприятий имеющих большую практическую ценность не только для сельскохозяйственного производства Западного Казахстана, но и Республики Казахстан в целом, а также Юго-Востока РФ.
Материалы и результаты исследования являются научной базой для разработки перспективных технологий, механизированных систем и технических средств водоснабжения и могут быть использованы научно-исследовательскими и проектными институтами, конструкторскими бюро, сельскохозяйственными товаропроизводителями, а также учебными заведениями при подготовке и переподготовке специалистов высшего и среднего звена для агропромышленного комплекса.
По результатам научного исследования разработаны и утверждены:
Рекомендации по созданию сенокосно-пастбищных угодий и определению радиуса пастьбы (новая технология и методика) (2003);
Рекомендации по применению трубопроводной системы водоснабжения животных в пастбищных условиях (2004).
Кроме того, рекомендации по результатам выполненного исследования включены в книгу «Система ведения сельского хозяйства Западно-Казахстанской области» (2003).
Реализация результатов исследования. Результаты исследования одобрены и рекомендованы к внедрению в агропромышленное производство Актю-бинским и Западно-Казахстанским областными территориальными управлениями Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан, Департамен-
13 том сельского хозяйства Западно-Казахстанской области, РГКП «Уральская сельскохозяйственная опытная станция» Национального академического центра аграрных исследований Республики Казахстан, ОАО «Уральскводстрой», ОАО «Жайыкгидрогеология» и ТОО «Уралводпроект».
Методика разработки трубопроводной системы водоснабжения использована в настоящей диссертационной работе, и это позволило обосновать высокоэффективную механизированную систему водоснабжения пастбищного животноводства, основанной на трубопроводном способе.
Использование на стадии проектирования разработанной математической модели рабочего процесса и полученных теоретических зависимостей по расчету конструктивно-геометрических параметров ленточного водоподъемника позволило создать водоподъемное устройство с улучшенными технико-экономическими показателями.
ТОО «Уральский судоремонтный завод» освоил и запланировал выпуск ленточного водоподъемника и модуля двухстадийного отбора воды из шахтного колодца с 2005 года.
Разработана и заложена в фонд Западно-Казахстанского межотраслевого территориального ЦНТИ техническая документация и выпущено 6 информационных листов, на которые были получены 15 запросов со стороны хозяйств и организаций.
Результаты научного исследования используются в учебном процессе Западно-Казахстанского аграрно-технического университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломных проектов.
Созданные на основе настоящего исследования технология и технические средства водоснабжения внедрены в ряде хозяйств Западного Казахстана.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
теоретический анализ резервов повышения эффективности процесса механизации водоснабжения животных в пастбищных условиях;
аналитический метод определения экологически безопасной величины радиуса водопоя для различных видов и половозрастных групп животных;
разработанная и оптимизированная трубопроводная система водоснабжения пастбищного животноводства;
закономерности процесса вертикального транспортирования воды лентой при турбулентном режиме и конструкция усовершенствованного ленточного водоподъемника;
энергосберегающие технологии водоснабжения и модуль двухстадийного отбора воды из шахтного колодца;
технико-экономическая оценка основных результатов исследования и рекомендации по их использованию.
Огромную благодарность и признательность автор выражает научным
консультантам: доктору технических наук, профессору [В.Г. Кобе[ и доктору технических наук, профессору Л.И. Высоцкому.
Под руководством автора в решении отдельных вопросов, связанных с изготовлением и экспериментальными исследованиями рабочих органов технических средств механизации водоснабжения принимали участие Н.Б. Ергалиев, А.И. Мамыров и Н. Мухамбетов. Всем им автор выражает искреннюю благодарность.
