Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам

Ресурсосберегающая технология и технические средства уборки и приготовления органического удобрения из навоза глубокой подстилки

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

 

Хмыров Виктор Дмитриевич

 

 

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ аТЕХНОЛОГИЯ аИ аТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА аУБОРКИ И ПРИГОТОВЛЕНИЯ аОРГАНИЧЕСКОГО УДОБРЕНИЯ аИЗа НАВОЗА аГЛУБОКОЙ аПОДСТИЛКИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельскогоа хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Мичуринск - Наукоград РФ, а2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет (ФГОУ ВПО МичГАУ) на кафедре Механизации производства и безопасности технологических процессов.

Научный консультантаа аакадемик РАСХН,

доктор технических наук,

профессор

Завражнов Анатолий Иванович

аа Официальные оппоненты:а адоктор технических наук,

профессор

Капустин Василий Петрович

доктор технических наук,

профессор

Макаров Валентин Алексеевич

доктор технических наук,

профессор

Павлов Павел Иванович

аа Ведущая организация - аВсероссийский научно-исследовательский институт механизацииа животноводства (ГНУ ВНИИМЖ)

Защита диссертации состоится л16 декабря 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ.

Автореферат разослан л__ ________ 2011 г. и размещен на сайте

ВАК а

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент аН.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Свиноводство - важная отрасль сельскохозяйственного производства и основной поставщик мяса для населения и сырья для перерабатывающей промышленности. Приоритетный национальный проект Развитие АПК положил конец глубокому кризису производства и длительному периоду застоя в промышленном свиноводстве, техническая база которого была создана в 70-80-е годы прошлого века. Выгодные условия кредитования привлекли в отрасль крупных инвесторов (мясокомбинаты, торговые фирмы, банки и т.п.), ранее не занимавшихся сельскохозяйственным производством.

В 2006 году было объявлено о начале реализации более 50-ти инвестиционных программ по созданию свиноводческих предприятий. В основном это дорогостоящие, крупные и сверхкрупные, не имеющие аналогов за рубежом комплексы на 54, 108, 216, 500 тыс. и даже на 1 млн. свиней в год. Общая стоимость проектов превышает 80 млрд. руб. Министерство сельского хозяйства намерено до 2020 года дополнительно инвестировать в отрасль более 90 млрд. руб., чтобы приблизиться к показателям докризисного 1991 г., удвоить производство свинины, сократить и по возможности прекратить её импорт.

Рациональное использование отходов сельскохозяйственногоа производства - большая и важная проблема. Она связана, с одной стороны, с использованием огромного энергетического потенциала биомассы для получения органических удобрений, с другой - с необходимостью исключить загрязнение водоемов, заражение почвы болезнетворными бактериями и гельминтами, содержащимися в отходах животноводческих ферм.

Одним из ведущих комплексных показателей плодородия почв является содержание в них гумуса. Известно, что 53,34 млн. га (45,3%) пашни страны имеют очень низкое его содержание. Для повышения содержания гумуса в почве, требуется вносить от 6 до 14 т/га органических удобрений, из расчета ежегодной насыщенности. Согласно концепции развития животноводства, плановых показателей, формируемой федеральной Программой плодородия почв, применение органических удобренийа к 2010 году достигнет 450 млн. тонн.

Анализ отечественного и зарубежного опыта апроизводства свинины показывает, что более перспективной технологией является содержании животных на глубокой подстилке. Она наиболееа полно отвечает климатическим условиям России и обеспечивает получение высококачественных органических удобрений с минимальными затратами энергии и материальных ресурсов. Известные способы содержания свиней при высоких ценах на энергоресурсы резко повышают себестоимость мяса. Поэтому, на сегодняшний день, разработка технологии содержания свиней на глубокой подстилке является актуальной проблемой.

Цель работы. Снижение энергозатрат при переработке свиного навоза глубокой подстилки путем совершенствования технологии и технических средств приготовления органических удобрений.

Объект исследования. Технологический процесс уборки, измельчения и приготовления органических удобрений при переработке навоза глубокой подстилки.

Предмет исследования.а Закономерности взаимодействия рабочих органов машин и устройств с сырьём и готовым продуктом. Разрушение, измельчение, аэрация навоза глубокой подстилки.

Методика исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования процессов работы машин. В экспериментальных исследованиях нашли применение дисперсионный анализ и теория планирования эксперимента. Обработка результатов осуществлялась методами регрессионного анализа. Использовались серийные и специально изготовленные приборы.

Научная новизна.

Ца разработана новая технологияа и технические средства для уборки и переработки навоза глубокой подстилки при содержании свиней в ангарах;

- получены качественные характеристики физико - механических свойства навоза глубокой подстилкиа и процессов взаимодействия с ними рабочих органов питателя Ца разрушителя;

- разработана новая конструктивно - технологическая схема питателя Ца разрушителя;

- разработаны математические модели, описывающие систему питатель - разрушитель, измельчитель, аэратор навоза, модель взаимодействия рабочих органова питателя - разрушителя с навозом глубокой подстилки, модельа взаимодействия рабочих органов измельчителя навоза, модель распределения воздушного потока в компостируемой массе аэратора.

Ца аналитически обоснованыа аи оптимизированыа режимы и конструктивные параметры аэратора компостной смеси.

Практическая значимость. Результаты исследований процесса разрушения, измельчения и аэрации навоза глубокой подстилки являются основой для совершенствования существующих и создания новых машин для уборки, измельчения и приготовления органических удобрений.

Реализация результатов исследований. Результаты исследонваний процесса биоферментации компостных смесей и предложенная констнрукция аэратора и питателя - разрушителя приняты к внедрению в СПХК Маяк Ленина Сампурского района, Тамбовской обл., ЗАО Приволье Мичуринского района Тамбовской области, ОАО ТАМБОВРЕМТЕХПРЕД г. Тамбов, ОАО Нива Мичуринского района Тамбовской области, ЗАО РаненбургЦкомплекс Чаплыгинского района Липецкой области, ООО Аладьино Чучковского района Рязанской области, ОАО Родина Лебедянскогоа района Липецкой области; аэратор компоста внедрен в ФГУП учхоз-племзавод Комсомолец; методические материалы по анализу процесса бионферментации компостных смесей используются в учебном процессе Тамбовского государственного техниченского университета и Мичуринского государственного аграрного университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

Ц обоснование технологии и технических средств для уборки и переработки навоза глубокой подстилки в органическое удобрение;

- математическое обоснование основных параметров питателя - разрушителя и измельчителя пласта навоза глубокой подстилки;

- математическое обоснование процесса распределения воздуха в аэраторе навоза;

Црезультаты экспериментальных исследований питателя - разрушителя и измельчителя навоза глубокой подстилки;

- результаты экспериментальных исследований основных параметров аэратора;

- результаты внедрения и оценки экономической эффективности предлагаемой технологии уборки и переработки навоза глубокой подстилки.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на научноЦпрактическойа конференции Инженерное обеспечение АПК 23-24 октября 2003 года Наукоград РФ Мичуринск; международно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Вклад молодых ученых в развитие аграрной науки ХХI века - Рязань, 2004.; научноЦметодической конференции, посвященной 160Цлетию со дня рождения профессора П.А. Костычева г. Рязань, ФГОУ ВПО РГСХА, 2005 г., Всероссийской научноЦпрактической конференции Проблемы развития аграрного сектора региона г. Курск, КГСХА, 2006 г., международной научноЦпрактической конференции Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства г. Воронеж, ФГОУ ВПО ВГАУ, 2008 г, научноЦпрактическойа конференции Роль науки в повышении устойчивости функционирования АПК Тамбовской области МичГАУ 17Ц18 ноября 2004 года., Наукоград РФ Мичуринск, 2004.; международной научноЦпрактической конференции 15Ц16 ноября 2007 г. Перспективные технологии и технические средства в АПК, Мичуринск Ца наукограда РФ, 2008; международной научноЦпрактической конференции 20Ц21 апреля 2011 г. Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационная модернизация в отрасли, Подольск, 2011.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 43 печатных работах, ав т.ч. 17 из них в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.аа Общий объем публикаций составляет 5,21 п.л., из которых 2,4 п.л. принадлежит лично соискателю.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 334 страниц основного текста, содержит 173 рисунка, 53 таблиц, библиографический список из 268 наименований, из них 15 на иностранных языках и 30 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель исследований и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - Анализ существующих способов компостированияа отходов животноводства - приведены технологии удаления навоза, обоснованы преимущества новой технологии содержания свиней на глубокой несменяемой подстилке, проведен анализ основных средств для уборки навоза глубокой подстилки.

Разработке технологий и технических средств по утилизации навоза посвящены работы А.В. Афанасьева, В.Н.Афанасьева, А.М. Бондаренко,а аП.И. Гриднева, В.А. Денисова, А.И. Завражнова, В.И. Зеникова, В.П. Капустина, Н.Г. Ковалева, Л.П. Кормановского, В.И. Кузнецова, Р.Лер, Г.И.Личмана, В.О. Лопеса де Гереню, И.К. Линника, И.И.Лукьяненкова, В.П. Лысенко, В.А. Макарова, Н.М. Марченко, В.В. Миронова, Г.Е. Мерзлой, Н.М. Морозова, Н.П. Мишурова, П.И. Павлова, И.М. Петренко, О.Д.Сидоренко, В.И. Солодуна и др. В этих работах обоснованы основные технологические требования к техническим системам подготовки навоза к использованию, предложены методы их оптимизации. Наиболее перспективной технологией приготовления органических удобрений является биоферментация методом ускоренного компостирования.

Анализ существующих способов удаленияа и переработки навоза показывает, что известные технологии требуют высоких капитальных и эксплутационных затрат иаа энергоемки, поэтому предлагается малозатратная атехнология асодержания свиней на глубокой подстилке.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

Ца исследовать физикоЦмеханические свойства навоза глубокой подстилки;

- теоретически обосновать основные параметры питателя -а разрушителя, измельчителя и аэратора;

Ца теоретически обосновать площади сечения воздуходувных отверстий и их расположение в трубах аэратора;

- ааразработать и изготовить экспериментальные установки питателя -а разрушителя, измельчителя и аэратора навоза глубокой подстилки;

- провести экспериментальные исследования по обоснованию основных параметров питателя разрушителя и измельчителя;

- провести экспериментальные исследования по обоснованию основных параметров аэратора;

- провести производственные испытания аи определить экономическую эффективность применения разрабатываемой технологииа по переработке навоза глубокой подстилки.

Во второйа главе Ц Теоретические исследования процесса работы апитателя-разрушителя, измельчителя и аэратора навоза глубокойа подстилки Ц рассмотрен процесс разрушения, измельчения и аэрирования навоза, рассчитана производительность питателя - разрушителя навоза глубокой подстилки, а также представлена конструктивно-технологическая схема агрегата для измельчения и разбрасывания подстилочного навоза.

Теоретические исследования процесса работыа питателя-разрушителя.

При резании пласта навоза, каждая точка рабочего органа питателя Ца разрушителя описывает траекторию, которую можно отнести к разновидностям циклоидальных кривых, совершает движение в вертикальной плоскости в двумерной системе координат (рисунок 1). На характер движения оказывают влияние два параметраа Ца поступательная скорость погрузчика аи угловая скорость рабочего органа .

Данная траектория описывается следующей системой параметрических уравнений:

,а а (1)а а

где X и Y - координаты точки рабочего органа в плосковертикальной системе координат;

R - арадиус вращения некоторой точки А рабочего органа (м);

аЦа угловая скорость вращения точки рабочего органа (рад/с);

аЦа поступательная скорость движения (м/с);

tа - время с момента начала движения (с).

а) общий вид; б) схема к расчету кинематических параметров.

Рисунок 1. Траектория движения точки рабочего органа питателя Ца измельчителя

Получено уравнение для определения площади боковой поверхности стружки, отделяенмой одним ножом или одной винтовой поверхностью, можно определить отделяемый от основного массива объем (м3):

V1= [R2]k0b,аа (2)

где b Ца ширина отделения площади А1 , м; k0 аЦа коэффициент заполнения рабочего объема.

Длина траектории движения точки при различных геометрических параметрах и режимах работы рабочего органа питателя разрушителя:

, м (3)

а

Рисунок 2.а Схема взаимодействия винтовой поверхности ас грузом

Анализируя взаимодействия всех сил с винтовой поверхностью шнека получаем окончательное выражение для определения усилияа перемещения навозной массы:

Окончательное усилие транспортирования (Н) с учетом коэффициентов КfBH и Ктр(4).

а(4)

Для винтовонго и шнекофрезерного питателя производительность определяется диаметром винтовой поверхности по наружной образующей, ее шагом и заполнением амежвинтового пространства. Тогда:

Q=а(5)

где DBHа Ца внутренний диаметр поперечного сечения потока груза, м; kn Ца коэффициент скорости, характеризующий отставание груза от теонретической скорости движения винтовой поверхности; kp=p/D аЦа коэффициент шага винта;ра Ца шаг винтовой поверхности;kП=kknkBа Ца коэффициент производительности, равный произведению коэффициентов заполнения межвиткового пространства k, скорости knи влияния режущих ножей kB;аЦа угловая скорость рабочего органа, рад/с.

Мощность привод питателя включает мощность РР, затрачиваемую на отделение захватынваемой части навоза от основного массива; мощность РР, необходинмую для перемещения захваченной массы навоза к отгрузочному транспортенру:

Pпер=,Вт а (6)

где Rв аЦа наружный радиус винта, м; Rт аЦа средний радиус транспортирования навоза винтом, м;

Rpаа аЦа радиус, по которому установлены ножи, м.

PР=(Nsin()/cos2)l1а, Вт,аа (7)

где Dpа - адиаметр резания или диаметр, по которому установлены ножи, м; аЦа угловая скорость вращения рабочего органа, рад/с.

Теоретические исследования процесса работыа измельчителя.

В процессе работы лопастного измельчителя подстилочный навоз подается шнеками в измельчительный аппарат, где лопастью с зубчатой поверхностью порция навоза отделяется относительно противорежущей пластиныа и под действием центробежной силы перемещается по лопасти. Достигнув конца лопасти, материал выбрасывается в транспортное средство.

Для теоретического обоснования кинематических параметров (скорости движения частиц, угла установки противорежущей пластины, угла установки лопастей) рассмотрим силы, действующие на частицу удобрений, находящуюся на лопасти ротора.

Такими силами будут (рисунок 3): сила веса mg, центробежная сила , сила инерции от ускорения Кориолиса , нормальная реакция лопасти аи сила трения .

Учитывая действующие силы и пренебрегая влиянием воздуха, а также упругостью частиц, дифференциальное уравнение движения материала по лопатке можно записать в

следующем виде:

(8)

где хФ, х, х- соответственно ускорение, скорость и путь частицы удобрений по радиальной лопатке ротора;

-угловая скорость вращения ротора;-коэффициент трения удобрений о лопасть ротора.

Решаяа уравнение (8) и вводя некоторые ограничения и упрощения, соответствующие реальной работе ротора при рассеве удобрений, получим интересующие нас аналитические зависимости.

Упрощаем уравнение:

а (9)

упрощаем уравнение, для этого левую часть приравниваем к нулю.

; а (10)

(11)

Частные решения будут иметь вид:

а (12)

Находим коэффициенты:

(13)

а (14)

а (15)

Относительную скорость схода удобрений с лопатки вращающегося ротора найдем из выражения:

аа (16)

где: r- относительная скорость лопатки; - угол, трения удобрений о лопатку ротора, R- радиус ротора или расстояние от центра до наружного конца его лопатки.

Угол схода материала , или угол на который успеет повернутся лопатка с момента поступления на нее удобрений до момента их схода:

(17)

где: r- расстояние от центра ротора до места подачи удобрений на лопатку.

Теоретические исследования процесса работыа аэратора.

Анализ формул показывает, что относительная скорость схода удобрений с лопатки ротора uc зависит от угла трения удобрений о лопасть, наружного радиуса ротора R и скорости его вращения, в то время как угол схода аот скорости вращения не зависит. Это говорит о том, что нельзя изменить место выброса удобрений, изменяя число оборотов ротора.

Рассмотрим модель истечения воздуха через отверстия в трубе длиной l, расположенной горизонтально, при условии истечении в нее воздуха при давлении ана одном конце и закрытым другом конце трубы. Отверстия располагаются на боковой поверхности трубы предпочтительно на одинаковом расстоянии друг от друга. ( рисунок 4)

Рисунок 4. Схема истечения воздуха через отверстия ва воздуходувной трубе

Пусть нагнетаемый поток воздуха в начальный момент времени t=0 и х=0 имеет скорость v0. Сечение трубы площадью Sимеет форму окружности.а Тогд

м2а аа (18)

Объемный поток воздуха (м3/с) на входе трубы равен:

аа аа (19)

Этот поток должен быть равен суммарному выходному потоку:

(18)

где n - количество отверстий.

По условию, потоки из каждого отверстия должны быть равны.

Поэтому

а (20)

Решаемой задачей будет нахождение распределения скоростей истечения воздуха вдоль трубы. Зная зависимость v(x),мы можем из уравнения (20) найти изменение диаметра отверстий вдоль трубы d(x).

Для решения задачи воспользуемся системой уравнений механического движения сжимаемого баротропного газа, в нашем случае воздуха, связь давления с плотностью и температурой в котором дается уравнением:

аа (21)

где, Цплотность, кг/м3; аЦмолярная масса газа, кг/моль; R - газовая постоянная м2/с2.

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам