Размещено на http://www.allbest.ru/

Таврійська державна агротехнічна академія

УДК 631.333.92:631.22.018

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування конструктивних параметрів і режимів роботи безнапірного дугового сепаратора рідкого гною великої рогатої худоби

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Скляр Радміла Вікторівна

Мелітополь - 2003

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Таврійський державній агротехнічній академії (ТДАТА) Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор, Таврійська державна технічна академія, завідувач кафедри “Механізація тваринництва”.

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Лінник Микола Кіндратович, Українська академія аграрних наук, заступник академіка-секретаря відділення механізації та електрифікації УААН; тваринництво сепаратор фракція

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник шацький Віктор Васильович, директор інституту механізації тваринництва Української академії аграрних наук.

Провідна установа: Дніпропетровський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “16” січня 2004 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312 запорізька обл., м. Мелітополь, просп. Б.Хмельницького, 18, навчальний корпус 1, конференцзал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312 запорізька обл., м. Мелітополь, просп. Б.Хмельницького, 18, навчальний корпус 1, конференцзал.

Автореферат розісланий “10 ” грудня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Діордієв В.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. збільшення виробництва продукції тваринництва на сучасному етапі вимагає значного технологічного і технічного переоснащення тваринницьких ферм України. Це дасть можливість, не тільки збільшити кількість виробляємої продукції, а також підвищити продуктивність праці робітників тваринництва при значному зменшенні її собівартості.

На багатьох фермах великої рогатої худоби України застосовують утримання тварин без використання підстилки, що обумовлює отримання рідкого гною, який необхідно утилізувати. Найбільш економічно вигідно це робити шляхом розподілу гною на тверду і рідку фракції і подальшому їх використанні в якості органічних добрив. При цьому скорочуються витрати на зберігання твердої і рідкої фракції, а також відпадає необхідність в наявності перемішуючих пристроїв.

Аналіз літературних джерел і виробничого досвіду показав, що для розподілу рідкого гною на фракції найбільш доцільно використовувати безнапірні дугові сепаратори. Вони мають не складну конструкцію, прості в експлуатації, мають високу надійність і малу металомісткість, не потребують додаткових енерговитрат для здійснення процесу. Але і вони не забезпечують вологість твердої фракції, яка буде відповідати агрозоотехнічним вимогам.

За своїми властивостями гній великої рогатої худоби значно відрізняється від суспензій, які обробляються дуговими сепараторами в різних галузях промисловості, а також від рідкого гною свиней та інших тварин. Тому характер і рушійні сили процесу розподілу його на фракцій будуть мати свої особливості. В технічній літературі ці питання висвітлені дуже мало.

З метою розробки реальної конструкції безнапірного дугового сепаратора для розподілу на фракції рідкого гною великої рогатої худоби необхідно вивчити дійсний характер виділення твердих часток і визначити його технологічні, конструктивні і режимні параметри.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності із національною науково-технічною програмою УААН “Технології і комплекти машин для виробництва і первинної переробки продукції тваринництва, П.1.1.6 ”Розробка ресурсозберігаючих технологічних процесів і систем типорозрядних рядів машин і обладнання для ферм по виробництву молока в реформованих господарствах”, і є складовою частиною теми досліджень факультету механізації сільського господарства Таврійської державної агротехнічної академії, підрозділ 1.2 “Розробка енергозберігаючих і екологічно чистих технологій і засобів механізації виробництва продукції тваринництва”.

Мета і задачі дослідження. Підвищення якості розподілу рідкого гною великої рогатої худоби безнапірним дуговим сепаратором на тверду і рідку фракції за рахунок удосконалення його робочого процесу та обґрунтування параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

проаналізувати існуючі способи і засоби механізації розподілу рідкого гною на фракції та обґрунтувати і вибрати для досліджень перспективний у використанні засіб (безнапірний дуговий сепаратор), виявити шляхи удосконалення його робочого процесу і запропонувати для цього технічні рішення;

виконати теоретичний аналіз робочого процесу і отримати аналітичні залежності для розрахунку параметрів безнапірного дугового сепаратора з покращеним робочим процесом;

на основі прийнятої для досліджень конструктивно-технологічної схем сепаратора, нових технічних рішень і результатів теоретичних досліджень, виготовити експериментальний зразок безнапірного дугового сепаратора з пустотілими віджимними валиками;

визначити раціональні конструктивні і режимні параметри удосконаленого безнапірного дугового сепаратора за допомогою дослідного зразка і перевірити достовірність теоретичних досліджень;

провести виробничі випробування безнапірного дугового сепаратора і зробити порівняльну оцінку його якісних показників роботи з базовим;

визначити економічну ефективність використання безнапірного дугового сепаратора з покращеним робочим процесом.

Об'єктом дослідження є процес розподілу рідкого гною великої рогатої худоби на тверду і рідку фракції безнапірним дуговим сепаратором.

Предметом дослідження є виявлення взаємозв'язків між параметрами і режимами процесу розподілу рідкого гною на тверду і рідку фракції, а також обґрунтування конструктивних і режимних параметрів безнапірного дугового сепаратора.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладено основні закони гідродинаміки і теоретичної механіки; процес фільтрування, який базується на законі Дарсі та переміщення твердих тіл у рідких середовищах. Дослідження теоретичних моделей проводили з використанням інформаційних технологій. В експериментальних дослідженнях використовували методи відсівного і планового експерименту, а також канонічний аналіз. Статистичну обробку результатів дослідження проводили з використанням ПЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше висунута і підтверджена дослідженнями доцільність використання пустотілих валиків з м'якою оболонкою для більш якісного обезводнення твердої фракції гною при його розподілі на безнапірному дуговому сепараторі. Розроблено теоретичні моделі фільтрування рідкого гною на криволінійній дільниці безнапірного дугового сепаратора і видавлювання рідини із твердої фракції віджимними пустотілими валиками з м'якою оболонкою. Науково обґрунтовано і удосконалено форми криволінійної і прямолінійної ділянок безнапірного дугового сепаратора.

Визначено і обґрунтовано раціональні геометричні і кінематичні параметри віджимних пустотілих валиків з м'якою оболонкою та чистика щіткоподібної форми.

Новизна технічного рішення конструкції безнапірного дугового сепаратора з віджимними пустотілими валиками з м'якою оболонкою захищена деклараційним патентом України на винахід № 59942 А.

Практичне значення одержаних результатів. Удосконалено безнапірний дуговий сепаратор з віджимними валиками для розподілу рідкого гною великої рогатої худоби на тверду і рідку фракції і отримано його раціональні параметри, які можуть бути використані науковими і проектними організаціями при розробці або удосконаленні аналогічних машин. результати досліджень і технічна документація на виготовлення модернізованого безнапірного дугового сепаратора передано для використання державному підприємству “КТІСМ” (м. Запоріжжя). Технологічні лінії переробки рідкого гною великої рогатої худоби з використанням модернізованого, згідно досліджень, безнапірного дугового сепаратора впроваджені на фермах великої рогатої худоби відкритого акціонерного товариства “Племзавод “Степной” Камянко-Дніпровського району Запорізької області і приватного підприємства “Могучий” Мелітопольського району Запорізької області.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації отримані автором самостійно, а саме: проведено аналіз технологій і засобів механізації розподілу рідкого гною на фракції; теоретично і експериментально обґрунтовано технологічну і конструктивну схему безнапірного дугового сепаратора з віджимними валиками; визначено і обґрунтовано раціональні геометричні і кінематичні параметри пустотілих віджимних валиків з м'якою оболонкою; розроблено креслення і виготовлено експериментальні зразки безнапірного дугового сепаратора з пустотілими віджимними валиками з м'якою оболонкою; проведено виробниче випробування дослідних зразків експериментального безнапірного дугового сепаратора в технологічних лініях розподілу на фракції гною великої рогатої худоби.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві, внесок здобувача наступний: ним виконано аналіз процесу переробки рідкого гною [1]; проведено експеримент і проаналізовано результати досліджень [3]; проведено досліди на виготовленій лабораторній установці і виконано аналіз результатів [4].

У технічному рішенні, яке захищене деклараційним патентом України на винахід, запропоновано та обґрунтовано нову конструкцію віджимних валиків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи були заслухані та обговорені на науково-звітних конференціях викладачів та аспірантів Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь, 2000...2003 р.р.), на науково-практичних конференціях: ”Технічний прогрес в сільськогосподарському виробництві” ННЦ ІМЕСГ (смт. Глеваха, 2000), “Еколого-економічні проблеми розвитку АПК” (м. Львів, 2002).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 7 робіт, із яких 5 статей в фахових збірниках наукових праць, 2 в матеріалах і тезах наукових конференцій і один деклараційний патент України на винахід. Загальний обсяг публікацій становить 1,75 друк. арк.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 93 найменувань та 7 додатків. Основна частина викладена на 149 сторінках, містить 17 таблиць, 69 рисунків.

Основний зміст роботи

У першому розділі “Стан питання і задачі досліджень” наведена характеристика рідкого гною великої рогатої худоби (ВРХ) і проаналізовано фактори, які впливають на його властивості, проведено аналіз технологій і засобів механізації розподілу рідкого гною на тверду і рідку фракції. На основі аналізу встановлено, що всі засоби механізації розподілу рідкого гною на фракції (віброфільтри, віброгрохоти, центрифуги та інші) метало- і енергоємкі, не забезпечують отримання твердої фракції відповідної вологості. Разом з цим, низку переваг при розподілі рідкого гною на фракції мають безнапірні дугові сепаратори. Вони прості та не складні в експлуатації, мають високий рівень надійності технологічного процесу і невелику металоємкість, не вимагають додаткових затрат енергії для здійснення технологічного процесу.

Однак, як і всі інші засоби механізації розподілу рідкого гною на фракції вони не забезпечують отримання твердої фракції необхідної вологості. Тому використовують їх в технологічних лініях разом з другими засобами розподілу.

Питанням вивчення й удосконалення безнапірних дугових сепараторів присвячено дослідження багатьох вчених: Бєлкіна А.Г., жужикова ВА., Грачової Л.І., Ялі І.І., Лінника М.К., Коваленка В.П., Новікова В.М., Бондаренка А.М., Рутса Т., кармана В. та ін. Ними було отримано залежності для опису процесу фільтрування різних суспензій на безнапірних сепараторах, запропоновано шляхи удосконалення конструкцій тощо.

Враховуючи, що рідкий гній ВРХ значно відрізняється по своїм властивостям від рідкого гною других тварин і суспензій промисловості, то характер і рушійні сили процесу розподілу будуть мати свої особливості. Нині в технічній літературі висвітлено конструкції безнапірного дугового сепаратора для розподілу рідкого гною великої рогатої худоби. Необхідно вивчити дійсний характер виділення твердих часток і на основі цього обґрунтувати його параметри і режими роботи.

У заключній частині розділу сформульовано і викладено задачі досліджень.

У другому розділі “Теоретичне обґрунтування конструктивних параметрів і режимів роботи експериментального безнапірного дугового сепаратора” наведено опис його конструктивно-технологічної схеми, теоретичний аналіз робочого процесу та обґрунтування основних параметрів.

Аналізуючи технологічний процес фільтрування дуговим сепаратором, можна зробити висновок, що для зниження вологості твердої фракції необхідно: збільшити час перебування гною в зоні фільтрування і збільшити діючу на масу гною обезводжуючу силу. Це дає можливість удосконалити робочий процес за рахунок сполучення гравітаційного фільтрування з механічним віджиманням. З цією метою пропонується доукомплектувати дуговий сепаратор удосконаленим віджимним пристроєм 5 із приводом від електродвигуна 6.

Віджимний пристрій складається з пустотілого валика і встановленого з ним на одному валу чистика. Валик виготовлено у виді пустотілого циліндра з м'якою оболонкою й обладнано штуцером із золотником для подачі усередину повітря.

Така конструкція дозволяє збільшувати площу контакту поверхні валика із шаром твердої фракції, копіювати його рельєф і давити з однаковим зусиллям у всіх точках дотику. Це дозволить також збільшити час тиску оболонки на шар твердої фракції і відповідно поліпшити якість обезводжування. Чистик виконано твердим, а його кромка, яка дотикається до фільтруючої перегородки, виготовлено з еластичного матеріалу і вона має щіткоподібну форму. Чистик розташований на кронштейні під кутом до осі кронштейна валика.

Працює сепаратор таким чином. Рідкий гній із подаючого трубопроводу надходить в приймальний бак 1 до визначеного рівня. При відкритті заслінки 2 на вказану витрату, він під дією сили тяжіння витікає з бака, рівномірно розподіляясь при цьому по ширині фільтрувальної перегородки 3, де і фільтрується. Рідка фракція по відбивачам 4 стікає в піддон і через патрубок 8 подається на подальшу обробку. Тверда фракція на виході із похилої фільтрувальної перегородки 3 попадає в зону дії пустотілого валика, наповненого повітрям під заданим тиском, де дообезводжується за рахунок його сили притиснення, а рухаючись слідом за валиком чистик видаляє її в приймальний бункер.

Для аналізу робочого процесу дугового сепаратора умовно розділимо його на три ділянки: перший являє собою дугу з центральним кутом рівним 1 (зона фільтрування); другий - пряма, розташована під кутом до горизонту (зона обезводжування на прямолінійній ділянці); третій - дуга з центральним кутом 3 (зона віджимання).

Ґрунтуючись на емпіричному законі Дарсі і користуючись основним рівнянням фільтрування з урахуванням прийнятих припущень була виведена

формула для визначення об'ємної продуктивності безнапірного дугового сепаратора

, (1)

де ; ;

,

де ВС - ширина фільтрувальної перегородки дугового сепаратора, м; 0 - початкова швидкість руху потоку рідкого гною, м/с; - середня швидкість руху потоку по поверхні дугового сепаратора, м/с; Р1, Р2 , Р3 - тиск фільтрування, відповідно, в зоні фільтрування, зоні зневоднювання на прямолінійній ділянці і зоні віджимання до впливу валика, Па; ф1, ф2, ф3 - час фільтрування в трьох зонах; ф1 ,ф2, ф3 - динамічна в'язкість фільтрату, що виділився з трьох зон, Пас; - маса абсолютно сухої речовини твердої фракції, що відкладається одиницею об'єму фільтрату, кг/м3; r01, r02, r03 - питомий масовий опір твердої фракції, що утворилася в трьох зонах, м/кг; rп1, rп2, rп3 - питомий опір фільтрувальної перегородки в трьох зонах, м/м2; Стф - масова концентрація абсолютно сухої речовини у твердій фракції, проц.; тф - щільність твердої фракції, кг/м3.

Аналіз виразу (1) показує, що об'ємна продуктивність безнапірного дугового сепаратора залежить від його конструктивних і режимних параметрів, а також фізико-механічних та технологічних властивостей потоку досліджуваного гною.

Для визначення обєму фільтрату Vф3, який пройде через фільтруючу поверхню зони віджимання дугового сепаратора від впливу пустотілого валика з м'якою оболонкою, і твердої фракції , яка залишиться після цього, розглядали схему сил, що діє при цьому на гній . Для цього скористалися теорією кочення, якою займалися такі дослідники, як R.Morin, В.Горячкін та інш. (рис. 2). При цьому отримано

, (2)

, (3)

де - тиск віджимання, який створює валик, Па;

r03 - питомий масовий опір осаду в зоні віджимання від впливу валика, м/кг;

rп3 - питомий опір фільтруючої поверхні під впливом валика, м/м2;

ф3 - динамічна в'язкість фільтрату, що виділився при цьому, Пас;

- щільність твердої фракції в зоні після дії валика, кг/м3.

Для визначення необхідного тиску віджимання та площі контакту валика Sк зі шаром твердої фракції гною при обґрунтованих припущеннях розглядали спрощену фізичну модель валика у вигляді кільця на пружній основі (рис.3). Відповідно до даної моделі одержано

. (4)

де РВ - внутрішній тиск валика, Па; К1 - коефіцієнт основи валика, Па.

Аналіз залежності (4) показав, що площа пятна контакту валика з шаром твердої фракції буде збільшуватися при зменшенні внутрішнього тиску валика і збільшенні сили притиснення..

З урахуванням цього отримано залежність тиску віджимання від конструктивних параметрів експериментального сепаратора

, (5)

Для простоти виготовлення форму чистика у дуговому сепараторі прийняли прямолінійною. Висота чистика Н повинна бути такою, щоб при видаленні твердої фракції остання не перевалювалася через нього. Розглядаючи вертикальне положення, коли об'єм тіла волочіння перед чистиком буде дорівнювати об'єму твердої фракції в третій зоні , отримано формули для визначення його висоти

(6)

і мінімального кута між валиком і чистиком

, (7)

де 0 - кут природного схилу гною при переміщенні, град.

Аналіз формули (6) показав, що при збільшенні радіуса кривизни і глибини твердої фракції після віджимання валиком висота чистика буде зростати.

При розгляданні роботи віджимного пристрою масову продуктивність сепаратору можна визначити по формулі

, (8)

де n - частота обертання віджимного пристрою, хв.-1, знайдемо виходячи з умови, що проміжок часу від початку дії чистика до впливу валика дорівнює проміжку часу, за який гній заповнить зону віджимання.

Тоді з урахуванням вищезгаданого неважко визначити, що

. (9)

Рівняння (3) і (9) підставимо в (8) та отримаємо

. (10)

Аналіз рівняння (10) свідчить, що масова продуктивність безнапірного дугового сепаратора по твердій фракції залежить як від конструктивних і режимних параметрів віджимного пристрою, так і від фізико-механічних властивостей гною.

у третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” наведено програму і методику досліджень. Описано експериментальні установки, умови проведення експериментів та вимірювальну апаратуру.

Програмою експериментальних досліджень передбачалось розв'язання наступних основних задач: уточнення фізико-механічних і технологічних властивостей рідкого гною ВРХ і його фракцій; вивчення характеру виділення твердих часток сепаратором; визначення раціональних параметрів фільтрувальної перегородки; встановлення взаємозв'язку між основними параметрами сепаратора і показниками його роботи, а також аналіз отриманого рівняння регресії; експериментальна перевірка і виявлення закономірностей впливу основних конструктивних і режимних параметрів віджимного пристрою на якість обезводжування гною; визначення масової продуктивності віджимного пристрою сепаратора.

В роботах В.М. Верховського, І.І. Шкодкіна, В.О. Зуєва, А.К. Омарова та інших вчених приведені результати досліджень фракційного складу та вязко-пластичних властивостей гною ВРХ. Але в зв'язку з тим, що фізико-механічні властивості гною залежать від багатьох факторів - виду та віку тварини, раціону їх годування і умов утримання, засобу видалення гною, виникає необхідність уточнення вищевказаних характеристик гною в конкретних умовах проведення експериментів.

Визначення складу і властивостей рідкого гною і його фракцій проводили для середньої проби згідно ГОСТ 8770-85. При проведенні гранулометричного аналізу використовували методику ситового аналізу з одночасним промиванням гною водою для встановлення злипаємості.

Дослідження основних параметрів безнапірного дугового сепаратору проводили на експериментальній установці.

Відбір проб рідкого гною і його фракцій проводили з п'ятикратною повторністю, а вологість проб визначали згідно стандартної методики (ГОСТ 8770-85). Радіус кривизни зони фільтрування перфорованої перегородки від завантажувального отвору дорівнював 0,3 м з центральним кутом 45. Кут нахилу прямолінійної ділянки змінювали від 40 до 60. Центральний кут перфорованої перегородки в зоні віджимних валиків дорівнював 100 при кривизні 0,3 м. Віджимні валики розміщували рівномірно по колу, скребок чистика міг змінювати свій кут установки відносно валика від 25 до 55. В дослідах використовували валики з жорсткою і м'якою оболонкою. Валики з м'якою оболонкою були заповнені повітрям під певним тиском, який змінювали від 1 до 5 кПа. Силу притиснення валика на шар твердої фракції здійснювали пружинами і змінювали від 20 Н до 960 Н. Кутову швидкість віджимних валиків змінювали від 0,80 до 1,68 с-1. Висоту шару твердої фракції, яка надходила в зону стискання віджимними валиками, змінювали від 0,02 до 0,06м.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень і їхній аналіз” викладено результати уточнення фізико-механічних властивостей рідкого гною великої рогатої худоби та інші дані, отримані в результаті експериментальних досліджень, а також приводиться їхній аналіз.

В результаті експериментальних досліджень встановлено, що при годівлі повнораціонними кормосумішами понад 60% сухої речовини гною складають дрібнодисперсні частки розміром до 1,0 мм. При роздільному згодовуванні компонентів кормосуміші зростає кількість грубодисперсних часток. Близько 60% сухої речовини складають частки величиною більше 1 мм. Вологість, при якій гній великої рогатої худоби втрачає свою пластичність, складає 78...80%. Якщо в початковий гній додати воду в кількості більше 20%, то він швидко розподіляється на рідку і тверду фракції.

Аналіз отриманих залежностей показав, що при тиску фільтрування близько 300 Па (величина, близька до тиску фільтрування в безнапірному дуговому сепараторі) можна одержати тверду фракцію вологістю близько 85%. Швидкість процесу фільтрування при перепаді тисків у 5 кПа складає 0,3...3,0 см/с при наявності на фільтрувальній перегородці шару твердої фракції від 0,5 до 4 кг/м2. При збільшенні тиску в 10 разів швидкість фільтрування підвищується лише в 1,5 рази. Тому процес обезводжування гною доцільно вести при тиску 5 кПа.

Аналіз результатів досліджень по визначенню питомого опору твердої фракції фільтруванню показав, що присутність в ній великої кількості грубодисперсних часток приведе к покращенню вологовіддачі та зменшенню питомого опору фільтруванню. Кут природного схилу для рідкого гною і твердої фракції максимального значення достиг при вологості 70…75 % та склав 53 та 46 відповідно. По результатам експериментів при тиску 300 Па та швидкості переміщення 0,2…0,6 м/с коефіцієнт тертя ковзання складає 1,1…1,4.

Аналіз результатів експериментальних досліджень по вивченню характеру виділення твердих часток у зоні фільтрування безнапірним дуговим сепаратором дав підстави стверджувати, що центральний кут дуги її повинен бути в межах 1 = 36...45.

Результати досліджень по визначенню параметрів фільтруючої перегородки показали, що кращі показники по ефективності розподілу і водовідділяючій здатності мають перегородки з отворами, розташованими під кутом 450 до напрямку потоку рідкого гною. Однак, у зв'язку зі швидкою кольматацією поверхні такі перегородки використовувати не рекомендується. З цією ж причини не доцільне застосування перегородок з поздовжнім розташуванням отворів. Аналогічні результати отримані на щілинній сітці. В результаті цього подальші дослідження проводили на фільтруючих перегородках з поперечним розташуванням щілин.

Виходячи з результатів експериментальних досліджень для оснащення безнапірних дугових сепараторів, варто рекомендувати фільтруючі перегородки із шириною щілин 1...2 мм - при обробці концентрованого гною: полотнини решітні 2а-20х20-2х1,0 ГОСТ 214-85 і щілинні колосниковоподібні сітки 2-О3Н10-28-2,0 ГОСТ 9074-85; при розподілі низькоконцентрованого гною - фільтруючі перегородки із шириною щілин 1 мм: полотнини решітні 2а-10х20-2х0,6 ГОСТ 214-85 і щілинні колосникові сітки 2-О18Н10 - 22-1,0 ГОСТ 9074-85.

Аналіз отриманих результатів досліджень по визначенню об'ємної продуктивності сепаратора без віджимного пристрою дозволив установити діапазонробочої початкової глибини потоку в дуговому сепараторі 0,006h0 0,024 м. При цьому об'ємна продуктивність склала відповідно 7,3...59,0 м3/год.; ефективність розподілу рідкого гною великої рогатої худоби вологістю 96,65% при h0 = 0,024 м склала 46 % при вологості твердої фракції 88 %.

Для одержання рівняння регресії обезводжування твердої фракції удосконаленим віджимним пристроєм розглядався вплив на кінцеву вологість твердої фракції після віджимання пустотілими валиками семи основних параметрів сепаратора: кутова швидкість віджимного пристрою, початкова глибина потоку і фракційний склад рідкого гною, кут нахилу фільтрувальної перегородки та ширина її щілини, сила притиснення валика на шар твердої фракції, внутрішній тиск валика і його діаметр.

В результаті реалізації матриці дробного факторного експерименту залишилися такі фактори, які будуть найбільше впливати на параметр оптимізації yi - кінцеву вологість твердої фракції , проц.: кутова швидкість віджимного пристрою (x1 ), с-1 ; сила притиснення валика РД (x2), Н; внутрішній тиск валика РВ (x3), Па, і його діаметр d (x4), м.

Після реалізації розширеної матриці планування чотирьохфакторного експерименту та обробки отриманих даних одержали рівняння регресії в закодованій формі

При розкодуванні математичної моделі отримали

.

Розкодований центр при оптимумі відповідає = 0,82 с-1; РД= 498 Н; РВ=2,64 кПа; d=145,5 мм. Оптимальне значення функції при цьому %.

Розглядалися можливі двовимірні перетини, які мають найбільше практичне значення (рис. 5). По будову поверхонь відгуку здійснювалися за допомогою пакетів MathCad і Microsoft Excel.

Порівняльну оцінку ефективності роботи дугового сепаратора з різною конструкцією віджимного пристрою проводили за результатами проведених досліджень. Аналіз отриманої залежності показав, що зі збільшенням кутової швидкості віджимного пристрою вологість твердої фракції змінюється по випуклій кривій у бік збільшення. Мінімальних своїх значень вологість твердої фракції досягає при установці пустотілого валика з м'якою оболонкою, наповненого повітрям. Для досягнення вологості твердої фракції 75 % і нижче необхідно, щоб віджимний пристрій обертався з кутовою швидкістю 0,8 с-1, що підтверджує правильність одержаної математичної моделі.

На основі аналізу впливу питомого тиску валика з м'якою і жорсткою оболонкою на водовідділяючу здатність віджимного пристрою можна зробити висновок, що при однаковому питомому тиску валика на шар твердої фракції, остання інтенсивніше і більше з комплектом валиків з м'якою оболонкою. Валик з жорсткою оболонкою навіть при значному тиску не дає потрібної вологості.

Характер отриманих залежностей вологості твердої фракції від сили притиснення валика з м'якою оболонкою, наповненого повітрям, відрізняється від таких же для валика з жорсткою оболонкою. Звідси також витікає, що доцільно застосовувати віджимний пристрій із двома валиками з м'якою оболонкою. При цьому вологість твердої фракції не перевищуватиме 73 %, а надійність роботи установки підвищиться.

Експериментальні дослідження по обґрунтуванню основних параметрів чистика дозволили зробити висновок, що його висота повинна дорівнювати Н=0,16 м, а кут між чистиком і валиком =40. Ворс щітки чистика повинен бути більшим на 1...2 мм від товщини фільтрувальної перегородки. Ці параметри чистика добре погоджуються з теоретичними даними.

У п'ятому розділі “Виробнича перевірка і техніко-економічна оцінка результатів досліджень” наведено матеріали виробничої перевірки і розрахунки техніко-економічних показників, виконаних на основі даних досліджень.

Виробнича перевірка і розрахунки показали, що використання безнапірного дугового сепаратора з пустотілими віджимними валиками з м'якою оболонкою, наповнених повітрям в технологічних лініях переробки рідкого гною є економічно доцільним. При цьому, витрати праці зменшаться на 11%, а експлуатаційні витрати на 27% у порівнянні з лінією із сепаратором, який виготовляється серійно. Економічний ефект для ферми на 400 голів великої рогатої худоби буде дорівнювати 2688 грн. на рік або 0,84 грн./м3 рідкого гною.

Висновки

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в якісному розподілі рідкого гною на фракції з найменшими витратами. А саме, щоб отримати вологість твердої фракції гною згідно агрозоотехнічних вимог, потрібні засоби механізації, використання яких приведе до значних витрат енергії та часу. Їх аналіз показав, що найбільш доцільно для розподілу на фракції застосувати безнапірний дуговий сепаратор. Але і він не в повній мірі відповідає агрозоотехнічним вимогам, які пред'являються до таких машин і продуктів розподілу гною.

2. Теоретичний аналіз процесу фільтрування дуговим сепаратором показав, що для зменшення вологості твердої фракції необхідно збільшити: час перебування гною в зоні фільтрування та діючу на масу гною обезводжуючу силу. Це дає можливість удосконалення робочого процесу за рахунок сполучення фільтрування з механічним віджиманням пустотілими наповненими повітрям валиками.

3. Отримано аналітичні залежності для розрахунку основних параметрів безнапірного дугового сепаратора розподілу рідкого гною великої рогатої худоби з поліпшеним робочим процесом. Аналіз їх показав, що основний вплив на продуктивність сепаратора і обезводження твердої фракції здійснює тиск фільтрування, викликаний дією гравітаційних сил і віджимних пустотілих валиків.

4. Експериментально встановлено, що для обладнання безнапірного дугового сепаратора слід рекомендувати довжину дуги криволінійної ділянки фільтрувальної перегородки, яка обмежена центральним кутом 36…45, і прямолінійної нахиленої ділянки в межах 1,3…1,5 м при ширині щілин 1…2 мм і поперечному їх розташуванні. В якості фільтрувальної перегородки слід використовувати полотна решітні (ГОСТ 214 - 85) з живим перерізом 39…41 % і щілинні колосниково-подібні сітки (ГОСТ 9074 - 85) з живим перерізом 45,0…47,5 %.

5. Одержане за допомогою планового експерименту рівняння регресії обезводжування твердої фракції удосконаленим віджимним пристроєм дало можливість обґрунтувати його основні параметри, при яких вологість твердої фракції найменша, а саме 75,5%: кутова швидкість віджимного пристрою 0,80 с-1, сила притискання валика на шар твердої фракції 500 Н, внутрішній тиск валика 2,64 кПа і зовнішній діаметр його 150 мм.

6. Експериментально встановлено доцільність використання пустотілих наповнених повітрям валиків в порівнянні з валиками, які мають жорстку оболонку (СД-Ф-50). Отримані при цьому результати підтвердили правильність обґрунтування конструктивних і режимних параметрів удосконаленого віджимного пристрою. Також експериментами доказано доцільність застосування двох пустотілих валиків, яка приведе до зниження вологості твердої фракції на 10% і підвищенні надійності роботи установки в порівнянні з валиками з жорсткою оболонкою.

7. З урахуванням обґрунтованих параметрів сепаратора по теоретичним залежностям отримана потрібна висота чистика - не менша 0,16 м при куті установки його відносно валика 40.Це підтверджено експериментальними дослідженнями, а також при цьому встановлено, що ворса чистика повинна бути довшою на 1…2 мм за товщину фільтрувальної перегородки.

8. Продуктивність безнапірного дугового сепаратору залежить від його конструктивних параметрів, складу та властивостей рідкого гною та складає: обємна - 20…50 м3/год на один погонний метр ширини фільтрувальної поверхні і масова продуктивність віджимного пристрою - 15…50 кг/хв. при початковій глибині потоку відповідно 0,006…0,024 м. Ефективність розподілу складає 46 % по сухій речовині і водовідділяюча здатність сепаратору 84%. Вологість твердої фракції, отриманої на дуговому сепараторі без віджимних валиків, складає 88,5…90,5 %, а при наявності останніх - 73…75 %, що відповідає агрозоотехнічним вимогам.

9. Впровадження в технологічних лініях переробки рідкого гною на фермах великої рогатої худоби безнапірного дугового сепаратору з віджимними валиками, модернізованого з урахуванням проведених досліджень, підтвердили правильність теоретичних і експериментальних досліджень. Очікуваний економічний ефект для ферми на 400 голів великої рогатої худоби при цьому становитиме 2688 гривень.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Скляр Р.В., Жакот В.Г.,Скляр О.Г. Аналіз процесу переробки та використання рідкого гною // Праці Таврійської державної агротехнічної академії - Вип.1, Т. 20. - Мелітополь: ТДАТА, 2001. - С.117-121 (виконано аналіз процесу переробки рідкого гною).

Скляр Р.В. Теоретичний аналiз розподiлу гною на фракцiї за допомогою дугового сепаратора // Міжвідомчий тематич. наук. збірн.: Механізація та електрифікація сільського господарства. - Вип. 83. - Глеваха: ННЦ “ІМЕСГ”, 2000. - С. 142-147.

Скляр Р.В., Роговий В.Д. Визначення в'язкості і напругу зсуву рідкого гною // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Вип.1, Т. 16. -Мелітополь: ТДАТА, 2000. - С. 48-54 (проведено експеримент і проаналізовано результати досліджень).

Скляр Р.В., Скляр О.Г., Роговий В.Д. Методика визначення питомого опору фільтрування рідкого гною великої рогатої худоби // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Вип.1, Т. 20. - Мелітополь: ТДАТА, 2001. - С.23-31 (проведено досліди на виготовленій лабораторній установці і виконано аналіз отриманих результатів).

Скляр Р.В. Методика визначення характеру виділення твердих часток безнапірним дуговим сепаратором // Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. - 2002,№6. - С.239-247.

6.Скляр Р.В. Експериментальне визначення продуктивності безнапірного дугового сепаратора та якісних показників його роботи // Вісник ХДТУСГ: Механізація сільськогосподарського виробництва. - Вип. 12, - Харків 2002. - С. 223-227.

7.Скляр Р.В. Математичне описання взаємодії віджимного валика з гноєм у безнапірному дуговому сепараторі // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Вип.12.- Мелітополь: ТДАТА, 2003. - С.91-96.

Деклараційний патент на винахід UA №59942 А. Установка для розподілу рідкого гною на фракції / Р.В. Скляр, О.Г. Скляр, В.Д. Роговий. №2002129880; Заявлено 10.12.2002; Опубл. 15.09.2003, Бюл. №9 (запропоновано та обґрунтовано нову конструкцію віджимних валиків).

Анотація

Скляр Р.В. Обґрунтування конструктивних параметрів і режимів роботи безнапірного сепаратору рідкого гною великої рогатої худоби. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь,2003.

Дисертацію присвячено питанням підвищення якості поділу рідкого гною великої рогатої худоби безнапірним дуговим сепаратором з віджимними валиками тверду і рідку фракції та обґрунтуванню його конструктивних параметрів і режимів роботи. Наведено результати теоретичних досліджень фільтрування рідкого гною на криволінійній ділянці сепаратору і видавлювання рідини із твердої фракції віджимними пустотілими валиками з м'якою оболонкою.

Приведено результати експериментальних і порівняльних досліджень удосконаленого і серійного сепараторів. Економічно обґрунтована доцільність удосконалення.

Ключові слова: рідкий гній, тверда і рідка фракції, дуговий сепаратор, пустотілі віджимні валики, м'яка оболонка.

Аннотация

Скляр Р.В. Обоснование конструктивных параметров и режимов работы безнапорного дугового сепаратора жидкого навоза крупного рогатого скота. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства - Таврическая государственная агротехническая академия, Мелитополь, 2003.

В работе обоснована актуальность выбранной темы исследований, представлена научная проблема, цель и задачи исследований.

Рассмотрена задача повышения качества разделения жидкого навоза крупного рогатого скота на твердую и жидкую фракции. Для ее решения усовершенствован рабочий процесс безнапорного дугового сепаратора и обоснованы его конструктивные и режимные параметры.

В первом разделе представлен обзор и анализ технологий, способов и средств разделения жидкого навоза на фракции. На основе анализа определено, что наиболее целесообразно для этого применять безнапорные дуговые сепараторы, которые отличаются от других средств простотой и надежностью в работе, относительно малой энерго- и металлоемкостью, отсутствием сложных подвижных частей.

Но и они не обеспечивают получение влажности твердой фракции, отвечающей агрозоотехническим требованиям. Поэтому необходимо провести дополнительные исследования. Приведенные обзор и анализ литературных источников дали возможность определить цель работы и сформулировать ее основные задачи.

Рассмотрен технологический процесс разделения жидкого навоза на твердую и жидкую фракции безнапорным дуговым сепаратором. На основе его анализа предложена новая конструкция отжимного устройства, а именно замена валиков с жесткой оболочкой на пустотелые наполненные воздухом. Выполнен теоретический анализ усовершенствованного сепаратора и получены аналитические зависимости для определения его основных параметров.

Программа и методика экспериментальных исследований предусматривала уточнение физико-механических и технологических свойств жидкого навоза крупного рогатого скота, определение действительного характера выделения твердых частиц сепаратором и планирование отсеивающего и многофакторного экспериментов. Описаны конструкции экспериментальных установок и приборов, которые использовались в опытах.

Получено уравнение регрессии обезвоживания твердой фракции усовершенствованным отжимным устройством сепаратора, которое описано с помощью полинома второй степени. Оно дает возможность вычислить рациональные параметры отжимного устройства сепаратора.

Также представлены результаты сравнительной оценки усовершенствованного отжимного устройства, а именно валиков с мягкой и жесткой оболочками, и определена их водоотделяющая способность. Проведенные исследования подтвердили допущения, принятые при теоретическом описании процесса обезвоживания, и полученные при этом зависимости.

Результаты производственной проверки усовершенствованного с учетом проведенных исследований безнапорного дугового сепаратора на двух фермах крупного рогатого скота подтвердили полученные теоретические и экспериментальные зависимости. Также представлен технико-экономический анализ существующих линий по разделению жидкого навоза на фракции и усовершенствованного сепаратора. Он показал, что внедрение последнего в сравнении с базовой линией для фермы на 400 голов крупного рогатого скота приведет к снижению затрат труда на 11%, эксплуатационных затрат на 27% при этом ожидаемый годовой экономический эффект будет составлять 2688 гривен.

Ключевые слова: жидкий навоз, твердая и жидкая фракции, безнапорный дуговой сепаратор, пустотелые отжимные валики, мягкая оболочка.

Аbstract

Sklyar R.V. The substantiation of the constructive parameters and the operating condition of a cattle liquid manure non-ramming arc separator. - Manuscript

Dissertation for the academic degree of Candidate of technical sciences by speciality 05.05.11 - Machines and mechanical equipment of farm production - Tavria State Agrotechnical Academy, Melitopol, 2003.

Dissertation deals with problems of quality increase of a cattle liquid manure separation by non-ramming arc separator with squeezing rolls into solid and liquid fraction and with problems of substantiation of its constructive parameters and operating condition.

The results of theoretical researches of a liquid manure on curve-line sector of arc separator and of liquid squeezing from solid fraction by squeezing hollow rolls with soft shell are reflected.

The results of experimental and comparative researches of improved and serial separators are considered.

Key words: liquid manure; solid and liquid fraction; non-ramming arc separator; squeezing hollow rolls; soft shell.

Размещено на Allbest.ru