Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состоянее проблемы. Цель и задачи исследований. 8
1.1. Анализ технологий производства навоза . 8
1.2.Снособы внесения орі анических удобрении 18
1.3 Технические средства для переработки навоза. 22
Глава 2 Теоретическое обоснование кинематических параметров измельчителя разбрасывателя соломонавозной смеси . 46
2.1 .Теоретическое обоснование скорости схода і р> за с лопаток. 47
2.2. Теоретические исследования конструктивных и кинематических параметров . 49
2.3 Взаимодействие режущего аппарата с массой подстилочпою навоза 57
2.4 Анализ сил действующих при измельчении материала. 58
2.5 Теоретическое обоснование зазора между барабаном и противорежущей пластиной . 73 2.6Конструктивно-технолої ическая схема аі регата для измельчения и разбрасывания подстилочного навоза. 74
Глава 3 Программа и методика экспериментальных исследований . 80
3.1. Программа исследований. 80
3.2.Определение влажности подстилочноїо навом в бурту. 80
3.2.1 .Определение плотности навоза в бурту с течением времени. 82
3.2.2. Исследование плотности соломонавозной смеси в зависимости от влажности . 84
3.2.3. Определение угла трения и угла естественною оікоса. 85
3.2.4. Определение коэффициентов трения ско іьжения и коэффициентов вн)треннего трения. 87
3.2.5. Изучение фракционного состава соломонавозной смеси. 90
3.2.6. Исследование соломистых включений входящих в соломонавозн>ю смесь на разрыв. 93
3.3. Определение пропускной способности измельчшеля. 96 3.4Изучение энергетических показателей. 96
3.4.1 Методика определения знеріетических покашелей 96
3.5 Методика проведения мноюфакгорною эксперимента по определению параметров и режимов работы технического среде і на. 99
3.6 Описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований. 100
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований техническою средства для измельчения соломонавозной смеси. 103
4.1 Исследование распределения размеров и однородное і и часгиц измельченной соломонавозной смеси в зависимосш оі частопл вращения барабана . 103
4.2 Исследование рабочего процесса технического среде і ва методом однофакторных экспериментов. 104
4.2.1 Резулыаты экспериментальных исследований процесса измельчения подстилочною навоза. 105
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований производительное!и измельчителя иодстилочної о навоза. 106
4.2.3 Результаты экспериментальных исследований потребляемой мощности при измельчении подстилочного навоза. 108
4.2.4Резульгаты экспериментальных исследований знергетической эффективности процесса. 112
4.3 Исследование закономерностей изменения показателя коэффициента измельчения процесса измельчения подстилочного навоза. 113
4.4. Исследование закономерностей изменения показателя потребляемой мощности процесса измельчения подстилочного навоза. 118
4.5 Исследование закономерностей изменения показателя производительности процесса измельчения подстилочного наво$а. 121
4.6 Определение удельных затрат энергии на процесс измельчения подстилочного навоза измельчителем. 125
Глава 5 Оценка экономической эффекшвносш машины для измельчения и разбрасывания навоза . 130
5.1 Результаты производственных испытаний. 130
5.2 Техника-экономическая оценка результатов исследования. 131
Выводы. 141
Список использованных источников 143
Приложения 152
- Анализ технологий производства навоза
- Теоретические исследования конструктивных и кинематических параметров
- Исследование плотности соломонавозной смеси в зависимости от влажности
- Исследование распределения размеров и однородное і и часгиц измельченной соломонавозной смеси в зависимосш оі частопл вращения барабана
Введение к работе
В России хозяйства всех форм собственности иыа отсуїствия средств не имеют возможности активно заниматься вопросами использования эффективных систем уборки и подготовки навоза к использованию. До 1993 і. до 80% поголовья крупно-рогатого скота и свиней содержалось на комплексах свыше 24000 голов. Для удаления навоза применяли іидравлические системы смыва периодического и непрерывно! о действия и механические способы. Эти способы энерюемки и требуют больного количества расходной воды. В настоящее время до 91% поюловья содержи і ся на фермах о і 200 до 600 юлов. При гаком количестве поюловья целесообразно содержать животных на глубокой подстилке в течение стойловою периода. В последнее время этот метод получил широкое применение в сельскохозяйственном производстве. К недостаткам этою метода можно отнести то что подстилочный навоз не содержит ограничений по количеству и геометрическим размерам о і дельных включений подстилки. Однако данная технология содержания може і обеспечить получение высококачественного органическою удобрения.
Подстилка используется в течении откормочного цикла, затем с помощью КУНов навоз выгребается из подстилочной ванны и укладьіваеіся на площадках в бурты часть его отправляется в це\ аэрирования друїая часть вывозится в поле для разбрасывания. К недостаткам технологій следует отнести отсутствие оборудования для погрузки и измельчения подстилочного навоза.
Поэтому совершенствование устройств для измельчения подстилочного навоза при содержании животных на глубокой подстилке, является акіуаль-ной задачей.
Цель работы Повышение эффективности измельчителя-разбрасывателя органических удобрений.
Объект исследования Технологический процесс измельчения подстилочного навоза зубчатым
лопастным измельчителем.
Научная новизна
определена современная тенденция развития современных течнолопш переработки подстилочного навоза.
установлены закономерности изменения процесса измельчения подстилочного навоза;
- получены аналитические зависимости для обоснования констр) ктивно-
режимных параметров (частоты вращения ротра, угла }сіановки проппво-
режущей пластины, количества лопаток, уїла >сіановки лопаюк);
Практическая ценное п.. Практическую ценность представляют конструктивно-режимные параметры предлагаемого зубчатого лопастного измельчителя-разбрасывателя подстилочного навоза.
На лини іу вынося і ся:
теоретические модели взаимодействия рабочих органов измельчителя и подстилочного навоза;
методика проведения лабораюрныч и проишодственных испытаний ш-мельчительного аппарата;
закономерности взаимодействия значимых факторов
результаты производственных испытаний и оценка экономической эффективности предлагаемою измельчителя.
Реализация результатов исследования. Экспериментальный образец устройсіва внедрен в хозяйстве «ОАО Голицыне» Тамбовской области, Никифоровскоіо района, РФ.
Апробация рабоїьі
Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференциях Курской юсударсівенной аграрной академии имени профессора Иванова И.И.,(март 200бі) Рязанская юсударственная
сельскохозяйственная академия имени профессора П.Л. Косіичева (марі 2004г) и Мичуринском іосударственном аїрарном университете (ноябрь 2005). Резулыаты исследований содержатся в отчетах по іеме научно исследовательских работ МичГАУ за 2002-2005г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь работ. Общим объемом 2,78 п.л., в і.ч. 1,53 и.л.принадлежит лично соискателю, в юм числе одна в центральной печати, объемом 0,4/0,2 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти і лав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописною текста, включая список-литературы из 109 наименований, 68 рисунков, 23 таблиц и приложения.
Анализ технологий производства навоза
В современном сельском хозяйстве основная масса органических удобрений образуется на животноводческих фермах и комплексах. Іехнолоіия использования оріанического удобрения во мноюм определяйся видом полученного на фермах навоза. Физико-механические свойства, обуславливающие вид навоза, зависят от способа содержания животных и приняюй системы удаления.
Принятый способ содержания животных: привязный и беспривязный связан с видом и назначением фермы [4, 5, 16, 22.] . Привязный способ применяется, в основном, на фермах крупнорогатою скоіа для дойною стада и в родильных отделениях. Беспривязный, в большей степени, характерен для ферм-откормочников, ферм для молодняка крупнорогатою скога. Влияние способа содержания на физико-механические свойеіва навоза связано с возможным воздействием животных на него. При беспривязном содержании подстилочный навоз уплотняется животыми, и же на начальном лапе накопления значительно повышается ею плотность.
Содержание животных на фермах и комплексах так же разделяют на выгульное и безвыгулыюе [4, 31.J. Выгульное предусматривает кормовы-гульные дворы или выгульные площадки. На них скапливаеіся до 25...30 % всего навоза, образующегося на ферме. С вьпульных площадок навоз бира-ется бульдозером в бурты . Физико-мечанические свойства такою материала обуславливаются наличием примесей почвы, рлсппельныч остатков корма, и влажностью, а также уплотнением животными и высыханием с течением времени.
Важнейшим технологическим факюром, влияющим на образование на воза, является способ содержания животных но наличию подстилки: поде іи-лочный и бесиодстилочный. Наличие подстилки (соломы, торфяной крошки, опилок и т.д.) значиїельно изменяет физико-механические свойсіва навош -влажность, плотность, коэффициенты трения, соирошвление деформациям. Кроме того, увеличиваются плотность, г.е. во фасі лег связность навоза, то также необходимо учитывать при проектировании парамеїров и конструкции средств его удаления и потру жи. Животных содержат на сменной и несменяемой подстилке [4, 22]. Навоз при содержании животных на сменной подстилке имеет небольшую плотность и высокою влажноеіь до 80% , удаление такою материала из помещений фермы возможно только с помощью механических способов, поскольку шдравлические способы при наличии подстилки не эффективны. При содержании нл несменяемой (іл)бокой) подстилке каждый новый слой соломы или опилок укладывается 1-2 раза в неделю сверху старого. Уборка производится 1-2 раза в і од с помощью мобильных навозо борочных средств КУ11-0,8 или специальных аїреіаюв, навешиваемых на трактор или сиецшасси. Навоз при этом представляет сильно уплотненную массу, требующую больших заірат энергии при удалении т помещения и дальнейшем использовании. Данный способ содержания характерен для овцеводческих ферм, для ферм кр пнорогатого скота и свиней в настоящее время этот способ широко применяется в производите [5].
Бесиодсгилочное содержание известно нл си юшных и щелевых иолах [4,21]. Большинство ферм КРС имеют сплошные иолы. При эюм навоз накапливается и удаляется с заданной периодичностью непосредственно с поверхности иолов. Содержание на щелевых полах в большей степени характерно для свиноводческих ферм. При щелевых иолах навоз продавливается животными в канал или подпольное навозохранилище. Из каналов удаление производится транспортером или с помощью і идрлвлических систем удаления. Для удаления навоза из подпольных навозохранилищ использую і мобильные погр)зчики и электромобильные нлвозо) борщики [4,5,9,22]
.Полученный навоз, при содержании живо і ны\ на щелевых полах, имеем высокую влажность (86...96 % и более), чго определяет консірукцию и параметры средств для его погрузки и дальнейшею использования.
Периодичность удаления навоза и помещений и прифермской іеррито-рии может колебаться, в зависимости о і вида и назначения фермы о і нескольких раз в день до нескольких раз в і од. Первая периодичное і ь имеет место при использовании стационарных транспоріеров ІСН-2,0; ІСН-2,0Б; ТСН-3,0; ТСН-3.0Б; КСН-Ф-100; ТСН-160; ІСІІ-160А; ТС-1,0; МП-ЗОЛ; скреперных установок УС-10; УС-15; УС-250 и дриих, а гак же при использовании гидравлических систем удаления. Вторая - при содержании живо і -ных на глубокой подстилке и уборке бульдозером или мобильными агрегатами [4]. Для физико-механических свойств навоза периодичность удаления является важным фактором, поскольку с течением времени в навозе происходят структурные изменения, он іеряет влажноеіь и уилоіняется, приобретая более высокие прочностные свойсіва. К технолоіическим факторам оі-носится и принятая на ферме система уборки навоза: механическая, гидравлическая или комбинированная. Гидравлический способ уборки, включающий самотечную или смывную сисіемьі приводи і к образованию навоза высокой влажности (более 88 %) или навозных стоков (влажноеіь более 97 %), с ярко выраженными свойствами жидкости. Поэтому для накопления, погрузки и транспортировки используют насосы, трубопроводы, контейнеры или средства разделения на фракции, с последующим использованием каждой фракции в отдельности [3,4,9] . Уборка навоза механическими средствами имеет две разновидности: стационарными іранспортерами и установками, мобильными агрегатами. К стационарным относяіся іранспорге-ры типа ГСН-3,6, ТС-10, ТПІ-30М и другие, скреперные усіановки УС-10, и ряд друїих. Работают как на подстилочном, так и на бесподстилочном навозе, влажность которою обычно менее 90 % [9].
Теоретические исследования конструктивных и кинематических параметров
Навоз является сложной биологической сисіемой, в ко юрой с течением времени происходят физические и химические процессы, изменяющие ее свойства.
Это обстоятельство вызывает необходимость проводип, исследования во взаимосвязи параметров рабочих оріанов с состоянием и свойствами объекта технолої ического воздействия. Измельчитель, как необходимое звено технолог ического процесса восстановления плодородия почвы, должен эффективно работать на любых типах навоза, имеющих различные физико-механические свойства.
Технолоїический процесс, выполняемый предлагаемой машиной, сосю-ит из следующих стадий: подборка навоза с одновременной подачей в юну измельчения, измельчение соломонавознои смеси, выгрузка измельченного навоза с одновременным его разбрасыванием.
Главным направлением исследования рабочего органа измельчителя является создание конструктивно технологической схемы, обоснование и оптимизация ее параметров, обеспечивающих ресурсосбережение при высокой производительности. Одним из основных показателей совершенсгва рабочего органа является энергоемкость процесса. Энергоемкость, определяя затраты энергии на единицу производительности, связывает параметры рабочего органа с силами его взаимодействия с материалом, производительноегыо и потребляемой мощностью. Таким образом, для полною исследования процесса измельчения и работы измельчителя необходимо рассматривать влияние всего многообразия факторов на показатели, принягые за критерии оценки эффективности. Сложность и большое количество взаимосвязанных параметров предопределяют необходимость использования современных матема тических методов исследований и анализ. Необходимо создать іеоретические основы для описания взаимного влияния параметров, характеризующих навоз как систему, и параметров, определяющих консірукцию рабочею оріана. Разработка общих математических моделей позволит прогнозировать поведение системы «рабочий орган- технологический объект» при различных сочетаниях факторов. Этому будет способствовать совершенствование с щесі-вующих методов математического и физическою моделирования с целью получения математических моделей перехода к различным типоразмерам аналогичных рабочих органов.
Основное назначение машины измельчение соломонавозной смеси. Изучение этою процесса является необходимым ланом перед проектированием. При этом необходимо знать величину силы резания, дейсів)іощей на лезвие ножа при внедрении в подстилочный навоз.
Сила резания при измельчении навоза завиєш оі удельной силы резания и ширины резания : где 1\() - удельная сила резания, Н/мм; b - ширина резания, мм.
При создании любого техническою средства необходимо стреми і ься к тому, чтобы ею энергоемкость была минимальной. Поэтому необходимо проанализировать влияние на усилие резания параметров и режимов рабо і ы машины.
В связи с вышеизложенным теоретические исследования сводились к определению и оптимизации: - угла установки ножей на барабане; - сил, действующих на нож; -угла установки противорежущей пластины; - конструктивных параметров и режимов рабо і ы машины.
При работе лопастного метателя удобрение под действием цен гробеж-ной силы и собственною веса скользи і по ножам, совершая сложное движе 48 ниє: относительное ( по рабочей поверхности лопаїки) и переносное (с лопастным барабаном и машиной в целом). Анализируя основные возможные формы установки ножей- по прямой, с наклоном вперед, с наклоном назад (рис.2.1) имеем: При прямом расположении (рис.2.1.а) - уюл // между относи і ельной vo и переносной vn скорое і ями равен 90, тогда абсолютная \м скорое і ь определяется но формуле: = „2+«9«, (2.1) при отклонении назад иод углом у (рис.2.1.6) - угот //между относи і ельной vo и переносной vn скоростями больше 90, а абсолютная va скорость определяется по теореме косинусов
Исследование плотности соломонавозной смеси в зависимости от влажности
Плотное и» подстилочною навоза в бурте определяли как о і ношение массы к объему. Методика проведения исследования плотное і и подсіилочною навоза следующая: предварительно взвешенн ю на автомобильных весах навозную массу в транспортном средстве выгружали на площадку и подбурто-вывали. В центр образовавшегося бур і а вставляли мерную линейку рис.3.3, с помощью которой следили за изменением высоты б) рта. Расчет объема бур і а пирамидальной формы выполняли следующим образом:
После усадки в течении суток и в дальнейшем с интервалом 12 с кж проводили обмер бурта и определяли плотность навоза следующим обраюм. Бурт навоза разбивали условно на три пирамиды, объем которых определяли по формуле:
Плотность соломонавозной смеси определяем її) гем взвешивания известною объема материала на весах. Характер изменения плотности соломонавозной смеси о і влажное і и представлен на ірафике рисунок 3.6. Из графика рисунок 3.6 видно что плотность навоза с увеличением влажности изменяется от 468 до 953кг/м\
Угол трения ртр и угол естественного откоса an определялись но методике предложенной [78]. В данном эксперимент использовано сіройство, состоящее из стола 1, с расположенным на нем наклонным бункером 2 со стрелкой и делениями для определения угла наклона, а также подъемного винта 3 (.). Исследуемый материал насыпался в б нкер 2, затем с помощью винта 3 осуществлялся постепенный наклон б нкера. При осыпании 95 - 100 % продукта определялся угол трения срл\ . Величина угла трения рір по материалу определялся с трехкратной повторностью.Она состоит из желоба 1 в котором по направляющим 2 передшиается тележка 6а дна 3, соединенная тросом, перемін} ІЬІМ через шкив 4 с ірузо-вой чашей 5. Внутри желоба 1, на опорах 6 становлена съемная полоса 7, выполненная из исследуемого материала, с за юром между тележкой и полосой 0,5-2 мм. Компоненты субстрата в тележке 3 прижимаются к съемной полосе 7 пластиной 8 и грузом 9. Опыты проводились следующим образом. В тележку насыпалсянавоз, затем на нею устанавливалась пластина с грузом. После чего в грузовую чашу добавлялся сухой песок до тех пор, пока і слежка с материалом не начинала движение. Опьпы проводили с трехкраіной по-вторностыо.
Для определения коэффициента внутреннего грения компонентов С)б-страта полосу с опорами снимали и желоб заполняли исследуемым материалом.
При определении коэффициента трения движения грузовую чашу наполняли песком на 5-10% больше, чем при предыдущих опытах, с целью обеспечения
Поэтому изучили фракционный состав навоза. Исследования проводили следующим образом. Из бурта подстилочного навоза отобрали пробу 300 кг. Из 300 отобрали 30 кг затем эту смесь тонким слоем от 0 до 50 мм, разложили на горизонтальную площадку для естественной сушки. Из этой порции отобрали частицы растительных остатков и произвели обмер. Результаты обработали и представили в виде графика рисунок 3.14.
Из графика видно, что длина соломистых частиц отІЗІ до 428 мм составляет 84% поэтому подстилочный навоз необходимо измельчать.
Для определения длины измельченных частиц применяли классификатор измельченных грубых кормов, частицы длиной свыше 100 мм разбирались вручную. Распределенные по классам соломистые частицы взвешивали и вычисляли их процентное содержание от общей массы пробы.[76] Для просеивания частиц соломонавозной смеси использовали вибростол.
Исследование распределения размеров и однородное і и часгиц измельченной соломонавозной смеси в зависимосш оі частопл вращения барабана
Исследования гранулометрического состава измельченных частиц соломонавозиой смеси, прошедших через эксперимешальную машину, проводили согласно разделу 3.2.5.
Для этою были отобраны навески измельченною навоза при частоте вращения ротора 200, 500, 600, 800, 1000 мин"1.
Анализ характеристик крупности показывает, что процентное содержание частиц соломы с длиной, удовлетворяющей агротехническим требованиям ( /шг 0,1 м), зависит от влажности навоза, частоты вращения ротора, угла установки противорежущей пластины и количества лопаток на лоиасіном роторе. При частоте вращения ротора п=200 мин ,угле установки (р = \1(, влажности навоза W=76, количестве лопаток /=4 составляет 55%, в гом числе расщепленных соломистых включений 18,9%; при частоте вращения роюра п=600 мин"1,угле установки =17, влажное і и навою W=76, количестве лопаток z=6 составляет при z=6 86,7% в том числе расщепленная солома 45%. Результаты измерений измельченной соломонавозиой смеси даны в таблице 4.1.
Программой однофакторных экспери.менюв предлагалось оцени і ь влияние на производительность, степень измельчения, потребляемую мощность тех. средства, следующих факторов: частота вращения рогора, количество лопаток, угол установки противорежущей пластины, влажность навоза. Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении часто і ы вращения ротора с 200 до 1000 оборотов средняя длина измельченных чаешц уменьшилась с 20.1 до 4,1 см а степень измельчения увеличилась с 1,21 до 5,92. При этом пропускная способность агреіаіа повышается с 0,109 до 1.240 т/ч. Следует отметить, что агротребования по средней длине измельченных соломистых частиц в навозе выполняются при разных режимах работы измельчителя и находится в пределах 50-100 мм.
Коэффициеш измельчения находили по методике изложенной в разделе 3.2.4 полученные данные приведены в таблице (приложение Л). Анализ полученных зависимостей показывает, что с увеличением числа оборотов с 200 до 1000 мин"1 коэффициент измельчения меняется с 1,21 до 5,92. Также коэффициент измельчения зависит от угла установки ироіиворежущей пластины, например при измельчении соломонавошой с меси влажное і ыо 76% при 600 оборотах барабана при =17 и z=6 коэффициеш измельчения Л =5,92, а при угле противорежущей пластины р = 105 Я =3,11
При уменьшении угла установки противорежущей пластины происходи і увеличение коэффициента измельчения X с 3,26 при угле установки пласіи-ны у=105, до 4,88 при угле установки противорел ущей пластины у=17и. Величина коэффициента измельчения к во многом зависит от угла установки противорежущей пластины у. Максимальный коэффициент измельчения был достигнут при угле измельчения у = 17.
Производительность измельчающего аппарата зависит от угла усіановки противорежущей пластины, количества лопаток установленных на крылаче, 107 и скорости вращения лопастною крылача. Зависимость ироизводиіельносіи от оборотов крылача представлена на рисунке 4.3 4С0 Рисунок - 4.3 Зависимость производительности от числа обороюв крылача
Из графиков (рисунок 4.3) видно что, пропускная способность измельчителя ( производительность Q) меняется в зависимое і и от количества у с і а-новленных лопаток. С увеличением числа лопаток с двух до шести производительность возрастает 0,227до 0,338 т/ч соответственно. При увеличении числа оборотов крылача также происходит увеличение пропускной способности измельчителя при двух лопатках и угле установки у=17 производительность возрастает с 0,109 до 0,227 т/ч. При шести лопатках и угле установке противорежущей пластины у=17с производительность возрастет с 0,196 до 0,338 т/ч.
