CC BY
19
УДК 631.862.2:631.333.92
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НАВОЗА ПРИ ЕГО УБОРКЕ ИЗ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ
ПОМЕЩЕНИЙ
Ю.А. Киров, доктор технических наук
ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» E-mail: [email protected] Ф.Г. Забиров, соискатель
Белебеевский колледж механизации и электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]
Аннотация. Обоснована актуальность процесса уборки навоза из животноводческих помещений с одновременным обезвоживанием и подготовки к утилизации в качестве ценного органического удобрения. Разработана новая конструкция устройства для уборки навоза с одновременным его обезвоживанием, дано ее описание. Для проведения экспериментальных исследований разработано и изготовлено специальное оборудование. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований усовершенствованной конструкции транспортера для уборки навоза с одновременным его обезвоживанием до зоотехнических требований. Исследования проводились в условиях конкретного хозяйства Белебеевского района республики Башкортостан. Получены новые эмпирические зависимости влияния конструктивно-режимных параметров предлагаемого устройства на качество получаемого навоза с целью приготовления ценного органического удобрения.
Ключевые слова:уборка навоза, обезвоживание, твердый навоз, утилизация.
Введение. Одним из важнейших источников поддержания почвенного плодородия и повышения урожайности сельскохозяйственных культур являются органические удобрения. Основное сырье для их эффективного производства - навоз, убираемый из животноводческих помещений [1].
На современных фермах и комплексах по производству животноводческой продукции получают, в основном, три вида навоза: жидкий, полужидкий и твердый. Ни один из данных видов навоза непригоден для дальнейшего использования без предварительной подготовки [1,2]. Менее затратным для приготовления органических удобрений является твердый навоз (влажностью до 85%). Одним из определяющих показателей состава навоза является его влажность, так как именно при определенной влажности в навозе происходят биотермические процессы по его обеззараживанию и делают его пригодным для дальнейшей утилизации в качестве ценного органического удобрения. В соответ-
ствии с зоотехническими требованиями, предъявляемыми к качеству получаемого навоза, необходимо, чтобы его влажность после уборки из помещения составляла 6570% для свиного навоза и 70-75% для навоза КРС [2].
В непереработанном виде в навозе сохраняет живучесть патогенная микрофлора, которая представляет серьезную угрозу для заражения окружающей среды и ухудшения экологической обстановки на животноводческих предприятиях. Анализируя научно-техническую и патентную литературу, можно выделить один существенный недостаток известных конструкций - высокая влажность навоза, получаемого с ферм и комплексов, вследствие чего остается острой проблемой удаление, транспортирование и утилизация навоза.
Цель исследования - повышение эффективности процесса обезвоживания навоза при его уборке из животноводческих помещений.
Задачи:
1) выявить основные факторы, влияющие на качество процесса обезвоживания при его уборке из животноводческого помещения;
2) теоретически описать рабочий процесс обезвоживания навоза на экспериментальной установке;
3) провести экспериментальные исследования на опытной установке и обосновать ее конструктивно-режимные параметры.
Разработанная в ФГБОУ ВО «Самарская сельскохозяйственная академия» установка для уборки навоза позволяет обезвоживать транспортируемую массу твердого навоза высокой влажности (рис. 1) [2].
Для теоретического исследования следует рассмотреть процесс работы одного лотка - фильтрование и прессование навозной массы при ее перемещении. Первоначально, с момента захвата навоза лотком и до соприкосновения ролика лотка с наклонной прессующей плитой, фильтрация свободной влаги в основном происходит под действием силы тяжести навоза через перфорированную поверхность с отверстиями диаметром 3,2 мм на днище наклонного транспортера. С момента соприкосновения ролика лотка с наклонной прессующей плитой процесс фильтрования начинается под избыточным давлением. Оптимальная скорость движения лотка должна соответствовать длине фильтрования свободной влаги и прессования.
Основная закономерность фильтрования, выражающая соотношение движущий силы и силы сопротивления, записывается в виде закона Дарси:
' " ' ( f h ^ ( I.
(1)
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки
Методология проведения работ. Теоретические исследования процесса обезвоживания навоза при его уборке из животноводческого помещения позволили выявить основные существенные факторы, влияющие на качество получаемого продукта (рис. 2).
факторы
технологические конструкционные физика-механические
1 |
скорость транспортера длина пота блпжность
1 1 I
даёлени» фильтрования Высота лотка платность
бремя фильтрабаля
расстояние между латкой
диаметр перфораций
Ьязкпсть
где: V - скорость фильтрования, м/с; К -коэффициент, характеризующий проницаемость, К = 1/Я, м ; Я - сопротивление фильтрованию, м-2; Н - разность напоров в начале и конце участка, Па; Ь - длина участка, м.
При фильтровании под избыточном давлением уравнение (1) имеет вид:
V = ^ , (2)
у- К
где: А Р - разность давлений, Па; ¡и - динамическая вязкость, Пас.
При этом выявлено, что объем фильтрата, получаемый за малый промежуток времени с единицы поверхности фильтра, прямо пропорционален вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки.
В дифференциальной форме выражение имеет вид:
пористость
dV
v = ■
ф _
Рис. 2. Основные факторы, влияющие на процесс обезвоживания навоза при его уборке из животноводческого помещения
S • dz ц
Щ
АР
(3)
где: Уф - объем фильтрата, м3; S - по
верхность фильтрования, м2; т - продолжи-
Journal of VNIIMZH №4(32)-2018
71
тельность фильтрования, с; Яос - сопротивление осадка, м-1; Яфп - сопротивление филь-
-1
тровальнои перегородки, м .
Оптимальная скорость движения лотка должна соответствовать определеннои подаче исходного навоза, так как при большой скорости не обеспечивается полное фильтрование. Процесс фильтрования характеризуется постепенным снижением напора, под действием которого происходит накопление твердых частиц навоза на днище наклонного транспортера.
1 +
Кос V.,
Кос V.
2-р-g■Ь
м- г0 ■ К
(4)
где Vл - скорость движения лотка, м/с; Уос - объем осадка навоза, м ; Уф - объем
3 3
фильтрата, м ; р - плотность навоза, кг/м ; g
- ускорение свободного падения, м/с2; Ь -длина фильтровальной поверхности, м; м -коэффициент динамической вязкости, Па с; г0 - удельное сопротивление осадка, м2; И0
- высота слоя навоза в лотке, м.
Таким образом, из полученного уравнения (4) следует, что скорость движения лотка как один из основных факторов, влияющих на производительность, зависит от физико-механических свойств навоза (влажности, плотности, динамической вязкости), длины участка свободного фильтрования и высоты слоя подаваемой массы. Анализ патентной литературы [3,4] позволил выявить наиболее эффективную и перспективную в использовании конструктивно-технологическую схему устройства для разделения навоза на фракции при его уборке из животноводческого помещения.
Экспериментальная база, ход исследования. На рисунке 2 показана общая схема устройства для обезвоживания навоза при его уборке из животноводческого помещения [5]. Устройство состоит из электропри-
вода 1, соединенного с бесконечным тяговым элементом 2, на котором посредством шарниров 4 и пружин 5 размещен ряд скребков 3, снабженных роликами 6. На устройстве через кронштейн 8 шарнирно закреплена наклонная плита 7, соединенная посредством регулировочного винта 10 с горизонтальной плитой 9 и откатником 11. Устройство снабжено лотком 12 для сбора и патрубком 13 для вывода жидкой фракции, выделенной из исходной массы навоза через фильтрующую поверхность 14.
Работает устройство следующим образом. Исходная масса навоза, убираемая из животноводческого помещения, захватывается скребком 3 и транспортируется по фильтрующей поверхности 14 с определенной скоростью У. Скребок 3 доходит до точки контакта ролика 6 с наклонной плитой 7, поджимает порцию массы навоза за счет поворота скребка 3 на шарнире 4, способствуя тем самым выделению избыточной влаги из последнего.
Рис. 2. Схема устройства (патент РФ №112584):
I - электропривод; 2 - тяговый элемент;
3 - скребок; 4 - шарнир; 5 - пружина; 6 - ролик; 7- плита наклонная; 8 - кронштейн; 9 - плита горизонтальная; 10 - винт регулировочный;
II - откатник; 12 - лоток; 13 - патрубок.
Выделенная избыточная влага проходит через перфорированные отверстия фильтрующей поверхности 14, попадает в лоток 12 для сбора жидкой фракции и выводится через патрубок 13. Процесс удаления влаги из массы навоза усиливается по мере уменьшения наклона плиты 7 и достигает максимального значения при прохождении скребка 3 в зоне горизонтальной плиты 9. После обезвоживания массы навоза скребок 3, скользя роликом 6 по откатнику 11, возвращается в
Vл =
X
исходное положение за счет действия пружины 5. Обезвоженный осадок навоза удаляется с фильтрующей поверхности 14 за пределы устройства.
Использование данного технического решения позволит дополнительно обезвоживать массу навоза, удаляемую из животноводческого помещения, до зоотехнических требований, предъявляемых к твердой фракции навоза с целью использования в качестве органического удобрения. Эксперименты проводились на базе учебно-производственного хозяйства на ферме крупного рогатого скота Белебеевского колледжа механизации и электрификации сельского хозяйства. Для проведения экспериментальных исследований была использована общепринятая методика и ряд частных методик по определению влияния конструктивно-режимных параметров устройства на качество получаемого навоза, для чего было разработано и изготовлено специальное оборудование (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Общий вид рабочего лотка
Рис. 4. Варианты рабочих органов-лотков
Результаты исследования. В результате проведенных экспериментов были получены графические зависимости влияния конструктивно-режимных параметров устройства на влажность получаемого навоза (рис. 5, 6 и 7).
у х
1] \ с ч
3 6 9 12 I. м
Рис. 5. Зависимости влияния длины фильтровальной поверхности Ь (м) на влажность твердой фракции навоза № (%) при различных скоростях движения транспортера и (м/с):
1 - и=0,55 м/с; 2 - и=0,30 м/с; 3 - и=0,25 м/с.
-----
90 85 80 75
10 20 30 40 а,град Рис. 6. Зависимость влияния угла О (°) установки наклонной плиты на влажность твердой фракции навоза И7(%) Н%\-----
90 85 80
75
0.2 0.3 ОА 0,5 Г.м Рис. 7. Зависимость влияния шага £ (м) установки рабочих скребков на влажность твердой фракции навоза № (%)
Journal of VNПMZH №4(32)-2018
73
Выводы. Анализируя полученные графические зависимости и результаты экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что оптимальными для эффективной уборки навоза и одновременного его обезвоживания является следующие параметры: длина пути движения транспортера, на которой происходит обезвоживание навоза до влажности, соответствующей зоотехническим требованиям, должна соответствовать Ь=6-8 м, скорость движения - »=0,25 м/с; угол установки наклонной плиты а =20-25°; шаг установки рабочих скребков ¿=0,25м.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы: проведен анализ факторов, влияющих на процесс удаления с одновременным обезвоживанием навоза; теоретический анализ рабочего процесса показал, что для повышения эффективности работы навозоуборочного транспортера типа ТСН-3Б и снижения влажности исходной массы до зоотехнических требований необходимо снабдить рабочие лотки сегментами для выделения из навоза избыточной и свободной влаги; экспериментальные исследования опытного образца позволили построить графические зависимости
влияния конструктивно-режимных параметров устройства на качество навоза, получаемого после уборки из животноводческого помещения.
Литература:
1. Ковалев Н.Г. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М., 1989. 160 с.
2. Письменов В.Н. Уборка, транспортировка и использование навоза. М., 1975. 200 с.
3. А.с. СССР №626662. Устройство для разделения навоза на фракции при транспортировании / П.Г. Веракша. Опубл. 30.09.78.
4. Пат. 2369063 РФ. Установка для разделения навоза на фракции / Бондаренко А.М. Опубл. 10.10.09.
5. Пат. 112584 РФ. Устройство для разделения навоза на фракции при транспортировании / Ю.А. Киров и др. Заяв. 20.06.11; Опубл. 20.01.12.
Literatura:
1. Kovalev N.G. Proektirovanie sistem utilizacii navoza na kompleksah. M., 1989. 160 s.
2. Pis'menov V.N. Uborka, transportirovka i ispol'zova-nie navoza. M., 1975. 200 s.
3. A.s. SSSR №626662. Ustrojstvo dlya razdeleniya navoza na frakcii pri transportirovanii / P.G. Veraksha. Opubl. 30.09.78.
4. Pat. 2369063 RF. Ustanovka dlya razdeleniya navoza na frakcii / Bondarenko A.M. Opubl. 10.10.09.
5. Pat. 112584 RF. Ustrojstvo dlya razdeleniya navoza na frakcii pri transportirovanii / YU.A. Kirov i dr. Zayav. 20.06.11; Opubl. 20.01.12.
THE INSTALLATION'S CONSTRUCTIVE-REGIME PARAMETRES FOR MANURE DEWATERING AT ITS MOVIND FROM LIVESTOCK PERMISES JUSTIFICATION Y.A. Kirov, doctor of technical sciences FGBOY VO "Samara state agricultural academy" F.G. Zabirov, the applicant
Belebeyevsky college of agriculture mechanization and electrification
Abstract. The manure removal process from livestock premises with simultaneous dehydration and preparation for utilization relevance as a valuable organic fertilizer is justufied. The installation's new design for manure cleaning at its simultaneous dehydration is developed, its description is given. For experimental researches carrying out the special equipment is developed and made. The theoretical and experimental studies' results of the improved conveyor for manure harvesting with simultaneous dehydration as to zootechnical requirements are presented. The studies were carried out in the conditions of the specific economy of the Bashkortostan Republic's belebeyevsky district. New empirical dependences of the design-mode parameters of the proposed device influence on the manure quality for the valuable organic fertilizer preparation are obtained. Keywords: manure, dehydrating, solid manure, utilization.
