Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологий и технических средств уборки навоза из коровников 8
1.1 Способы содержания коров и их анализ .8
1.2 Анализ технологического процесса уборки навоза скребковыми транспортерами 14
1.2.1 Транспортеры кругового действия 14
1.2.2 Транспортеры возвратно-поступательного движения. 20
1.3 Анализ технологического процесса уборки навоза шнековыми (винтовыми) транспортерами 22
1.4 Анализ технологического процесса уборки навоза установками порционного действия .24
1.5 Анализ результатов теоретических исследований по обоснованию конструктивных параметров и режимов работы навозоуборочных установок 27
Вывода по главе .35
Глава 2. Теоретическое обоснование технологического процесса уборки навоза установкой порционного действия 37
2.1 Основные технологические требования к процессу порционной уборки навоза из продольных каналов 37
2.2 Теоретическое обоснование технологического процесса уборки навоза установкой порционного действия 38
2.3 Обоснование методики по определению выхода экскрементов от коров .42
2.4 Обоснование технологических режимов и параметров работы установки порционного действия .53
Выводы по главе 60
Глава 3. Программа и методики экспериментальных исследований уборки навоза установкой порционного действия 62
3.1 Программа исследований .62
3.2 Методики исследований .64
Глава 4. Установка порционной уборки навоза 70
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований уборки навоза установкой порционного действия 73
Выводы по главе 87
Глава 6. Определение экономической эффективности уборки навоза установкой порционного действия 89
Основные выводы 92
Список литературы .94
Приложения 104
- Транспортеры кругового действия
- Обоснование методики по определению выхода экскрементов от коров
- Методики исследований
- Результаты экспериментальных исследований уборки навоза установкой порционного действия
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время на фермах с привязным содержанием коров уборка навоза осуществляется, в основном, скребковыми транспортерами типа ТСН-2, ТСН-3 и ТСН-160 различных модификаций, а также штанговыми и шнековыми транспортерами.
Наибольшее распространение получили транспортеры кругового действия типа ТСН. Их поворотные звездочки подвергаются значительным механическим нагрузкам, т.к. при их работе одновременно транспортируется навоз по всей длине каналов коровника. Из-за быстрого нарушения уплотнений подшипники дополнительно подвергаются химическому воздействию навозом, что приводит к их преждевременному износу, люфтам, отказу. Кроме того, прорезание цепью канавки в дне канала вызывает подъем скребков, что в совокупности не позволяет обеспечить надежное выполнение технологического процесса. Требуются значительные затраты труда по поддержанию транспортеров в работоспособном состоянии. Шнеки более надежны в работе, но большая удельная металлоемкость на одну голову скота и капиталоемкость делает их экономически недоступными для большинства производителей молока. К тому же для удаления подстилочного навоза требуются дополнительные трудозатраты на его проталкивание через решетки. В последнее время значительно увеличивается число крестьянских (фермерских) хозяйств с небольшими размерами ферм, проблема оснащения которых эффективными системами удаления навоза весьма актуальна.
На некоторых фермах продуктивность коров уже сегодня достигает 8000-10000 кг молока в год. Действующие рекомендации по проектированию систем удаления навоза разработаны без учета продуктивности коров, в них предусмотрено, что количество навоза, получаемого от коров, на всех фермах одинаково, и определяется из расчета суточного выхода экскрементов от одной коровы 55 кг (35 кг кала, 20 кг мочи). Коровы с высокой продуктивностью объективно выделяют больше экскрементов, что приводит к повышению нагрузки на рабочие органы навозоуборочных транспортеров и к нехватке объемов навозохранилищ. В связи с этим для проектирования систем удаления навоза необходимо провести исследования по уточнению массы выхода экскрементов от коров.
Цель работы – разработка технологии и установки порционной уборки навоза с повышенными эксплуатационными свойствами для крестьянских (фермерских) хозяйств.
Для достижения цели были определены задачи исследования:
-
Провести анализ существующих технологий и средств уборки навоза из коровников.
-
Обосновать технологический процесс и конструктивно-режимные параметры установки порционного действия с учетом физико-механических свойств
навоза и массы выхода экскрементов при дифференциации коров по массе и продуктивности.
-
Разработать, изготовить и провести экспериментальные исследования установки порционной уборки навоза с рабочим органом в виде каретки с поворачивающимися в горизонтальной плоскости скребками.
-
Оценить экономическую эффективность применения установок порционной уборки навоза.
Объект исследований: технологический процесс уборки навоза из коровников установкой порционного действия.
Предмет исследований: установка порционной уборки навоза из коровников с привязным содержанием животных.
Научная новизна: разработан технологический процесс уборки навоза из продольных каналов коровников с привязным содержанием животных, обеспечивающий последовательное удаление порций навоза прямолинейно кареткой с поворачивающимися в горизонтальной плоскости скребками при ее возвратно-поступательном движении с обоснованием конструктивно-режимных параметров установки и уточненная методика определения выхода экскрементов при дифференциации коров по массе и продуктивности.
Практическая значимость работы: разработана установка с рабочим органом в виде каретки с поворачивающимися в горизонтальной плоскости скребками, перемещаемой канатами двух тяговых лебедок, обеспечивающая уборку навоза порциями от 36 до 117 кг. Обоснованы конструктивные параметры и режимы работы новой установки для уборки навоза из продольных каналов коровников, установлена ее экономическая эффективность при замене скребковых и штанговых транспортеров, а именно: при замене горизонтальной части транспортера типа ТСН-160А снижаются: масса – в 5 раз, мощность привода – в 4 раза, удельный расход электроэнергии – в 1,4 раза. Установка может работать в небольших фермерских хозяйствах с поголовьем от 10 голов КРС. Получен патент по изобретение № 2527793 от 11.07.2014 г.
Разработана уточненная методика определения массы выделяемых экскрементов высокопродуктивными коровами для использования при проектировании систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и утилизации навоза.
Достоверность результатов: достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных методов статистической обработки и регрессионного анализа, компьютерных программ Microsoft Office Word, Excel, AutoCAD.
Методы решения: экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам и ГОСТам на испытание сельскохозяйственной техники. Результаты исследований обрабатывались методом математической статистики,
при этом использовались общеизвестные измерительные приборы и оборудование.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Аналитические зависимости параметров технологического процесса и установки порционной уборки навоза от массы, физико-механических свойств навоза.
-
Методика определения выхода экскрементов при дифференциации коров по массе и продуктивности;
-
Установка порционной уборки навоза и результаты экспериментальных исследований.
Апробация работы и публикации.
Результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-практических конференциях:
«Совершенствование управления технологическими процессами в животноводстве – основа повышения эффективности производства и качества продукции» (ФГБНУ ВНИИМЖ, г. Москва, 2013 г.);
«Стратегия развития механизации и автоматизации животноводства на период до 2030 года» (ФГБНУ ВНИИМЖ, Москва, 2015 г.);
«Методология создания конкурентоспособных предприятий по производству продукции животноводства» (ФГБНУ ВНИИМЖ, Москва, 2016 г.);
«Инновационная техника и ресурсосберегающие технологии в животноводстве» (ФГБНУ ВНИИМЖ, Москва, 2017 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 научные статьи в центральных периодических изданиях, включенных в перечень ВАК и 1 статья в рецензируемом научном издании, входящем в международные реферативные базы данных и системы цитирования (AGRIS, Springer), п олучен 1 патент на изобретение № 2527793 от 11.07.2014 г., бюл. № 25. «Установка порционной уборки навоза», авторы: Текучев И.К., Те-кучева М.С., Черновол Ю.Н.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из шести глав и основных выводов, списка литературы, приложения и содержит 111 страниц, иллюстрирована 17 таблицами, 41 рисунком.
Список литературы включает 91 источник, в том числе 3 на иностранных языках.
Транспортеры кругового действия
Наиболее распространенной является конструкция установки с горизонтально замкнутой цепью и консольным креплением скребков, что позволяет одновременно убирать навоз из помещений и грузить его в транспортные средства.
В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются скребковые транспортеры марок ТСН-2,0Б, ТСН-3,0Б, ТСН-160А, ТСН-80, КСУ-Ф-1 и др. Для каждой фермы, в зависимости от ее размеров, осуществляется уточнение их длины путем укорачивания цепного контура [17].
Транспортеры типа ТСН для уборки навоза из животноводческих помещений имеют существенные технологические и конструктивные недостатки [18]:
- механизируется уборка навоза только с площади под транспортером, а очистка стойл выполняется вручную;
- неоптимизирован путь транспортирования навоза до точки выгрузки;
- при транспортировании навоз многократно (технологически неоправданно) перемешивается, проходит через обводные блоки;
- при включении рабочие органы технического средства воздействуют на всю массу навоза, накопившегося в канале, что приводит к перегрузкам и выбросу навоза из канала на проход или в стойла;
- наличие открытых навозных каналов приводит к ухудшению микроклимата, перерасходу подстилки, загрязнению кожного покрова животных;
- при работе транспортера происходит интенсивный износ его рабочих органов и поверхности навозных каналов, при длительной работе тяжелая цепь углубляется в бетон канала, в результате этого скребки поднимаются вверх и начинают плохо убирать навоз;
- при использовании в качестве подстилки неизмельченной соломы или другого длинностебельчатого материала возможен сход цепи со звездочки (вследствие наматывания материала на звездочку), навоз плохо отделяется от скребков в месте выгрузки, цепь удлиняется и требуется периодическое натяжение путем удаления звеньев [46, 65];
- ограничено применение на небольших фермах в крестьянских (фермерских) хозяйствах.
Принцип действия скребкового транспортера, следующий: тяговый орган транспортера, огибая приводное и поворотные устройства (звездочки-ролики), перемещает расположенные на равном расстоянии один от другого скребки. Направление движения тяговой цепи одностороннее [54, 61].
Из-за большого сопротивления перемещаемой массы длина цепи горизонтального транспортера не должна превышать 200 м.
Конструктивная особенность транспортера ТСН-2 состоит в том, что его цепь длиной 170 м монтируют в продольных каналах и наклонных корытах. От места загрузки до транспортных средств навоз перемещает один и тот же скребок перед собой по дну горизонтального и наклонного каналов. Транспортер способен убрать из каналов до 95% навоза.
Долговечность этих транспортеров выше, чем транспортеров ТСН-3,0Б, и достигает 5 лет. Цепь этого транспортера также долговечнее, но она имеет тот недостаток, что изготовление кованых звеньев требует применения специального нагревательного и ковочного оборудования [54, 61].
В настоящее время выпускается модернизированный вариант ТСН-2,0Б под маркой КСН-Ф-100 (изготовитель - Южноуральский машиностроительный завод), в котором по сравнению с ТСН-2,0Б крепление скребков шарнирное, изменена конструкция натяжного устройства [18]. Рабочий орган – клепанная пластинчатая цепь с кованым звеном со скребками [77]. Транспортер ТСН-3,0Б состоит из двух самостоятельных транспортеров -горизонтального и наклонного, которые работают отдельно друг от друга.
Он имеет горизонтально-замкнутую пластинчатую шарнирную безвтулочную разборную цепь с консольно прикрепленными к ней скребками.
Цепь горизонтального и наклонного транспортеров поступает в хозяйство в разобранном виде, что требует дополнительных затрат ручного труда при монтаже на месте эксплуатации [61].
Через определенное время работы транспортера (особенно в период обкатки) тяговая цепь иногда настолько удлиняется, что натянуть ее натяжным устройством оказывается невозможным. При этом зацепление шарниров цепи с зубьями ведущей и поворотных звездочек сопровождается шумом и ударами. При чрезмерном удлинении цепи ее необходимо укоротить на два звена. Это трудоемкая операция. Требуются большие затраты труда слесарей по поддержанию их в работоспособном состоянии.
Транспортер скребковый ТСН-3,0Д отличается от транспортера ТСН-3,0Б преимущественно строением цепей горизонтального и наклонного транспортеров. Их соединяющее звено состоит из двух пластин, между которыми заложена резиновая прокладка толщиной 5 мм с фигурными пазами. При сборке транспортера заводом-производителем в эти пазы закладывается графитовая смазка. Мыски на гантелях осей не позволяют им поворачиваться относительно планок. Это увеличивает продолжительность службы транспортера. Чтобы избежать разъединения цепи при ослаблении ее натяжения, между планками и соединительным звеном надеты резиновые прокладки, что предотвращает их перемещение вдоль планок. Расстояние между скребками горизонтального транспортера 1000 мм [37, 64].
В своих работах ученые изучали вопросы выявления условий эксплуатации и общих характеристик работоспособности навозоуборочных транспортеров, коррозионных характеристик среды, в которой работают эти машины, характеристик микроклимата, химические, физические и физико-механические свойства навоза. Совместное действие механических нагрузок и коррозийных сред приводит к значительному сокращению срока службы тяговых цепей навозоуборочных транспортеров. Причину этого явления можно объяснить тем, что при работе транспортера в коррозионной среде увеличивается скорость распространения усталостных трещин в структуре металла. Большинство авторов пытались, в основном, найти способы усовершенствования серийной цепи транспортера ТСН-3,0Б, но ни одному из них практически не удалось исследовать работоспособность цепей новых типов непосредственно в коровниках, и результаты этих работ не получили практического внедрения.
Попытки исключить режим перегрузки путем увеличения прочности тяговых и рабочих органов привели к резкому повышению их массы и пока не дали желаемых результатов. Так, за годы выпуска скребковых транспортеров кругового движения в нашей стране прочность тяговой цепи увеличилась в 3,4 раза, что повлекло за собой увеличение массы в 2,5 раза. Однако по-прежнему имеют место разрывы тяговых цепей, изгиб скребков и поломки узлов привода [31].
Сакнит Я.Ю. в своей работе предложил в качестве тягового органа навозо-уборочного транспортера круглозвенную цепь. Им предложен также способ крепления скребков - сверху цепи, при этом цепь находится в специальном канале, что позволило практически избавиться от «голосования» (поднятия) скребков (рисунок 1.3) [61]. Скребковый транспортер ТСН-160 имеет круглозвенную термически обработанную цепь, автоматическое натяжное устройство цепи горизонтального транспортера и стальные термообработанные комбинированные звездочки. При использовании на практике были выявлены недостатки, с целью устранения которых разработаны и поставлены на производство две усовершенствованные модели транспортера: ТСН-160А и ТСН-160Б (изготовитель – АО «Орехово-Зуевский ремонтно-механический завод») [45,53].
Цепь имеет горизонтальные и вертикальные звенья, кронштейны. Последние приварены к вертикальным звеньям цепи. К кронштейнам болтами прикрепляются скребки.
Длительный опыт эксплуатации транспортеров ТСН-160Б (КСГ-7) показал, что реальный срок их службы составляет лишь 3 года, а не 5 лет, как указано в паспортах и протоколах испытаний. Кроме того, они непригодны для уборки подстилочного навоза, включающего в себя неизмельченную солому [16].
Также существуют модели ТСН-160АМ и ТСН-160М с рабочим органом -калиброванной круглозвенной цепью [77].
Для удаления навоза из небольших животноводческих помещений с одновременной погрузкой его в транспортное средство или бурт выпускается транспортер ТСН-80 (изготовитель – завод «Ковельсельмаш»). Он выполнен на базе транспортера ТСН-160А и состоит из горизонтальной и наклонной частей, каждая из которых имеет собственный привод. Части могут использоваться вместе или раздельно, поэтому транспортер поставляется в шести различных исполнениях. Отличительной особенностью ТСН-80 является болтовое крепление скребков к цепи горизонтального транспортера, обеспечивающее надежность в работе [53].
Для удаления навоза из удлиненных животноводческих помещений с одновременной погрузкой его в бурт или транспортное средство предназначен скребковый транспортер ТСН-240, выполненный на базе транспортера ТСН-160А [45].
Обоснование методики по определению выхода экскрементов от коров
Для определения объема работ, выполняемых техническим средством, необходимо знать сколько навоза нужно убирать на конкретной ферме.
Накапливаемый на животноводческих фермах навоз представляет собой сложную гетерогенную систему, состоящую из твердых и жидких выделений животных, остатков кормов, технологической воды, а также газов, образующихся в результате биохимических процессов, протекающих в навозе.
Влажность навоза – один из основных факторов, определяющих его физико-механические и технологические свойства [84]. Физико-механические свойства навоза изменяются в широких пределах и зависят от вида и количества добавляемой подстилки и типа кормления. При сенном типе кормления влажность экскрементов на 1…3 % ниже по сравнению с экскрементами, получаемыми при силосном или травяном кормлении [54]. В зависимости от зональных условий при содержании животных на фермах КРС применяют в качестве подстилочного материала торф, резаную солому и опилки в количестве от 0,5 до 3 кг на одно животное в сутки. Условно навоз по физико-механическим свойствам можно отнести к трем категориям: подстилочный, полужидкий и жидкий. Подстилочный имеет влажность до 85 %. Полужидкий навоз (смесь мочи и кала) имеет влажность 86-92 % [14], обладает достаточно выраженной текучестью. Наряду с этим, в условиях производства, в зависимости от способов содержания животных, в навоз попадает вода, и навоз становится жидким, его влажность повышается от 92 % и более. Вследствие этого возрастает его объем, что обусловливает увеличение объема навозохранилищ и повышение затрат труда и средств на его переработку и утилизацию [84].
Фракционный состав навоза в значительной мере предопределяет надежность работы средств механизации и зависит от рациона кормления и технологии содержания животных [14, 84].
Выход экскрементов (смесь кала и мочи), их состав зависит от вида, возраста, продуктивности и массы животных, рациона кормления. Выход экскрементов определяют несколькими способами [84].
1. По массе животных. Суточный выход экскрементов крупного рогатого скота принимают в размере от 8 до 10 % живой массы скота. Тогда годовой выход навоза от одной коровы массой 475 кг будет [(475 9 365) : 100] : 1000 = 15,6 т [84].
2. Французский способ. Количество навоза за год определяется умножением живой массы животного на 25. (475 25) : 1000 = 11,9 т, что в 1,3 раза меньше, чем в варианте 1 [84].
3. По годовому производству основной продукции. Считается, что годовой выход экскрементов у коров в 4 - 5 раз больше годового производства молока (3000 4,5) : 1000 = 13,5 т; (4000 4,5) : 1000 = 18,0 т [84].
4. Способ Вольфа. Основан на том, что примерно половина сухого вещества корма усваивается животными, а вторая переходит в навоз вместе с сухим веществом подстилки. Согласно этому способу, в свежем навозе содержится 1/4 сухого вещества и 3/4 воды, тогда общее количество навоза за год будет в четыре раза больше половины сухого вещества корма, потребленного коровой и суммированного с сухой подстилкой.
От коровы с продуктивностью 3000 кг в год выход навоза будет [(4710 : 2 + 570) 4] : 1000 = 11,7 т, а с продуктивностью 4000 кг будет: [(5473 : 2 + 570) 4] : 1000 = 13,2 т. Это на 13 и 27 % меньше, чем при определении по методике 3 [84].
5. Способ ВИУА. Основан на результатах химических анализов многочисленных балансовых опытов, согласно которым количество сухого вещества в смеси экскрементов составляет около 10 %, то есть выход экскрементов примерно в 10 раз больше содержания в них сухого вещества. Общее количество сухого вещества, попадающего в навоз, составляет сумму сухого вещества переваренного корма, потерь его во время кормления и сухого вещества подстилки.
Согласно этой методике годовой выход навоза от коровы продуктивностью 3000 кг молока будет 22,8 т.
6. Способ ВНИПТИОУ. По суточному выходу экскрементов. Выход навоза определяется по среднегодовому поголовью различных половозрастных групп животных [48] (от коровы – 55 кг в сутки).
7. Способ ВИЖа. Выход свежего навоза на одну голову при привязном содержании животных в типовых стойлах – 45 кг в сутки [84].
8. Способ Гридневой Т.Т. При определении массы экскрементов, выделяемых дойными коровами, учитывают их массу, продуктивность и массу потребляемых кормов и воды. Ею выполнены расчеты, согласно которым коровы могут выделять в сутки от 29,7 до 111 кг экскрементов [19].
Выполненные расчеты по вышеприведенным методикам показали, что годовой выход навоза от одной коровы с удоем от 3000 до 8000 кг колеблется от 11,7 до 36 т, по методическим рекомендациям по проектированию систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и утилизации навоза – 20 т, по методике Гридневой Т.Т. – более 26 т на голову в год. При расчете объемов хранилищ для навоза, которые материалоемки, проектировщики не могут принять единственно правильное решение [84].
Вышеприведенные материалы показывают, что способы определения суточного и годового выхода экскрементов от дойного стада по живой массе неприемлемы, т.к. не зависят от продуктивности животных [84]. Используя общие положения предложенной Гридневой Т.Т. методики, разработаны математическая модель и алгоритм расчета массы выделяемых коровами экскрементов.
Предложено уточнение методического подхода по определению выхода экскрементов от дойных коров разной продуктивности и массы.
Принципиальное отличие предлагаемой методики от существующих состоит в том, что рассчитывается баланс поступивших в качестве пищи и воды ингредиентов в организм животного и вышедших из него в виде молока, выдыхаемых паров, испарений с поверхности тела, кала, мочи в соответствии с кривой лактации (рисунок 2.2) [3, 84].
Методики исследований
Определение массы выхода экскрементов от коров. Целью определения массы выхода экскрементов от коров было установление количества навоза, которое необходимо убрать техническим средством из продольных каналов коровника и в зависимости от этого числа уборок навоза в течение суток.
Взвешивание производилось на электронных промышленных весах 0,5СКП макс 500 кг дискр. 0,1 кг согласно ГОСТ 29329-92 (Весы для статического взвешивания. Общие технические требования).
Отдельно на электронных весах с точностью до 100 г взвешивалась моча и кал.
Определение фракционного состава и влажности подстилочного навоза.
С целью подтверждения работоспособности установки при уборке навоза различной влажности, с различным материалом подстилки определялся фракционный состав навоза. Влажность навоза определялась с целью установления ее влияния на транспортирующую способность каретки.
Фракционный состав навоза определяли путем отбора пробы исходного навоза массой не менее 1 кг. Пробу промывают на сито с диаметром отверстий не более 0,5 мм и подсушивают. Массу навески разбирают по классам, мм: до 5; от 5,1-10; 10,1-15; 15,1-20; 20,1-25; 25,1-30,0; более 30,0.
Влажность исходного навоза определяли согласно ГОСТ 26713-85 (Удобрения органические. Метод определения влаги и сухого остатка).
Определение длины пути, времени перемещения каретки на эту длину, скорости перемещения каретки установки порционной уборки навоза. Целью определения скорости перемещения каретки является определение производительности установки.
Длину пути замеряли рулеткой, время перемещения каретки на эту длину – секундомером. Скорость перемещения определяли расчетным путем. Скорость перемещения каретки изменяли путем изменения частоты вращения электродвигателя тиристорным преобразователем частоты.
Определение высоты тела волочения и массы навоза, убираемого кареткой за одно перемещение. Целью определения высоты тела волочения и массы навоза убираемого кареткой за одно перемещение является установление параметров скребков каретки и расстояния между ними, обеспечивающих наибольшую производительность установки.
Свежий навоз, необходимый для проведения опытов, собирался непосредственно из стойл коровника фермы «Ерино» и загружался в экспериментальный канал, вместо мочи в канал добавлялась вода. Распределение экскрементов по длине канала имитировалось очень близко к фактическому. Исследования проводились на полужидком (86,0-89,9 %) и густом с подстилкой из опилок и измельченной соломы (82,4-85,9% влажности) навозе.
Исследовались каретки разной длины и конструкций со скребками разной высоты и с различными расстояниями между ними.
Для установления влияния на производительность установки высоты скребков было изготовлено 44 скребка высотой 55, 70, 85 и 100 мм (рисунки 3.2, 3.3). Высота тела волочения определялась линейкой. Масса навоза, удаляемая из продольного канала в поперечный, определялась взвешиванием на электронных платформенных весах с точностью до 100 г.
Определение мощности, потребной на холостой ход собственно привода, холостой ход перемещения каретки без навоза, на внедрение каретки в навоз и ее перемещение с навозом в сторону выгрузки захваченной порции.
С целью определения мощности привода тяговых лебедок, определялась потребная мощность на холостой ход собственно привода, холостой ход перемещения каретки без навоза, на внедрение каретки в навоз и ее перемещение с навозом в сторону выгрузки захваченной порции.
Энергетическую оценку машин для удаления навоза по ОСТ 70.2.3.-79 (Испытания сельскохозяйственной техники. Методы оценок электроприводов сельскохозяйственных агрегатов. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы оценок электроприводов сельскохозяйственных агрегатов).
При исследовании технологического процесса с помощью цифрового фотоаппарата многократно фиксировались мгновенные значения тока, напряжения, мощности, потребные на холостой ход собственно привода, холостой ход перемещения каретки без навоза, на внедрение каретки в навоз и ее перемещение с навозом в сторону выгрузки захваченной порции с помощью прибора К-505 (рисунок 3.4) и энергомонитора модели METREL Power Monitor MI 4100 (рисунок 3.5). Рис. 3.5. Фото показателей на энергомониторе
Усилия, необходимые на внедрение каретки в навоз и ее перемещение с навозом в сторону выгрузки захваченной порции, определяли с помощью динамометра ДПУ-0,5-2 (рисунок 3.6).
Работа установки в автоматическом режиме обеспечивалась микропроцессором по программе, разработанной сотрудниками лаборатории (рисунок 3.7). Рис. 3.7. Пульт управления с микропроцессором
Осуществлялась видеосъемка процесса камерой Sony DCR-SR 47.
Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований. С целью подтверждения достоверности полученных в эксперименте данных была проведена их статистическая обработка.
Определение статистических характеристик в случае одной повторности измерения: за результат измерения принимают среднее арифметическое ряда результатов наблюдений (по ГОСТ 50779.41-96 Статистические методы) [13, 55].
Определение статистических характеристик в случае нескольких повторно-стей измерения: оценка среднего значения измеряемой величины по данным всех групп наблюдений.
Результаты экспериментальных исследований уборки навоза установкой порционного действия
Проведенные опыты позволили установить, что при среднесуточном удое 14,2 кг средний выход экскрементов составил 71,5 кг в сутки, при увеличении среднесуточного удоя до 23,0 кг средний выход экскрементов возрос до 87,1 кг.
Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 15 %.
Результаты исследований установок порционной уборки навоза представлены в таблицах 5.3-5.5. Конструктивные размеры кареток модификаций установок порционной уборки навоза приведены в таблице 5.4.
В результате исследований установлены зависимости высоты тела волочения hтв при различной влажности навоза от высоты скребка Нск (расстояние между скребками 400 мм). При влажности навоза Wн = 82,4 % и высоте скребка Нск = 55 мм максимальная высота тела волочения достигает 3 Нск. С увеличением высоты скребка (при одной и той же влажности) высота тела волочения растет, но не прямо пропорционально. Если при Нск = 55 мм – высота тела волочения hтв = 3 Нск, то при Нск = 100 - hтв = 2,35 Нск (рисунок 5.2).
При увеличении влажности навоза (Wн = 84,3 %) высота тела волочения перед скребками уменьшается. Перед скребком Нск = 55 мм максимальная высота тела волочения достигает 2 Нск, а перед скребком Нск = 100 мм всего 1,6 Нск (рисунок 5.3).
Обработка экспериментальных данных показала, что коэффициент корреляции колеблется от 0,689 до 0,9763, что говорит о высокой достоверности полученных данных.
Экспериментально установлены зависимости транспортирующей способности каретки (массы транспортируемой порции навоза) от высоты скребков, установленных на ней (55, 70, 85, 100 мм) при различной влажности навоза (рисунок 5.4).
При высоте скребка Нск = 55 мм транспортирующая способность равна 36,3 кг, при увеличении высоты скребка до 100 мм транспортирующая способность возрастает до 63,8 кг (в 1,75 раза) (влажность навоза W = 84,3%) (рисунки 5.4 и 5.5).
При изменениях влажности навоза с 84,3 до 87,3 % и высоты скребков с 55 до 100 мм транспортирующая способность каретки возрастает с 36 до 117 кг, т.е. в 3,25 раза. При перемещении порций навоза одной и той же влажности (86,3 %) с увеличением высоты скребков с 55 до 100 мм транспортирующая способность каретки увеличивалась с 64 до 99 кг, т.е. в 1,54 раза.
Так, при высоте скребка Нск = 100 мм с увеличением влажности навоза с 84,3 до 87,3 % масса перемещаемой кареткой порции навоза увеличивается с 64 до 117 кг (в 1,8 раза). Ранее было показано (рисунки 5.2 и 5.3), что с увеличением влажности навоза высота тела волочения перед скребком уменьшается. Но при этом транспортирующая способность каретки увеличивается (рисунок 5.5). Это объясняется тем, что при меньшей влажности навоза (W = 82,4 %) высота тела волочения за движущимся вперед скребком значительно меньше, чем перед скребком, перемещающим эту массу. При увеличении влажности навоза (W = 84,3%) высота тела волочения между двумя скребками была одинаковой. К тому же при такой влажности первый скребок при движении в сторону выгрузки навоза перемещает перед собой его массу на длину 1 м и более.
Определив экспериментально транспортирующую способность установки с различными скребками при различной влажности навоза и средней скорости транспортирования V = 0,2 м/с, рассчитали производительность установки при 1, 2, 3, 4 разовой уборке навоза в коровнике. Результаты расчетов представлены в таблице 5.7.
На рисунках показаны области производительности при заданных парамет рах и режимах работы, в которых выше теоретической прямой обеспечивается работоспособность установки и полное удаление навоза из канала, а ниже – установка неработоспособна, так как ее потенциально возможная производительность ниже необходимой.
Максимальный путь внедрения, на котором обеспечивается работоспособность установки, 3,3 м при высоте скребков 70 мм; 3,7 м при высоте скребков 85 мм; 4,0 м при высоте скребков 100 мм (рисунки 5.7, 5.8).
В расчетах принято, что на участке канала длиной 1,2 м (ширина стойла) одной коровы за сутки накапливается 60 кг. Горизонтальные прямые показывают транспортирующую способность кареток при уборке навоза влажностью 84,3% (рисунок 5.12 А) и 86,3% (рисунок 5.12 Б). Пересечение горизонтальных линий с наклонными означает максимально возможную длину участка канала, с которого каретка со скребками заданной высоты за один цикл может убирать навоз при установленной кратности его уборки. Так, каретка со скребками высотой 55 мм может убирать за каждый цикл порцию навоза влажностью 84,3% с участка канала длиной 2,25 м при кратности уборки n = 3 раза в сутки и длиной 3 м – при n = 4. Аналогично каретка со скребками высотой 100 мм может убирать навоз влажностью 86,3% с участков длиной 2 м при n = 1 (аварийный режим – канал переполнен навозом), длиной 4 м при n = 2, длиной 4,8 м и более при n = 3 и n = 4. Эти данные необходимы для разработки программы автоматического управления микроконтроллером работой установки порционной уборки навоза на конкретной ферме.
В результате экспериментальных исследований получены следующие параметры технологического процесса уборки навоза из продольного канала в поперечный. Мощность привода 0,55 кВт. Усилие на перемещение каретки по каналу без навоза (холостой ход) составляет в среднем 510 Н. Скорость перемещения каретки изменялась от 0,12 до 0,23 м/с. Потребная мощность привода на выполнение этого процесса изменялась от 60 до 120 Вт. Усилие на внедрение каретки в навоз с опилками составляет 760 Н, при этом потребная мощность изменялась от 90 до 180 Вт. Усилие на перемещение каретки с загруженной порцией навоза к поперечному каналу в среднем составляет 620 Н, а мощность изменялась от 72 до 145 Вт.
В результате испытания опытного образца установки порционной уборки навоза установлено, что усилие на вращение одного выключенного мотор-редуктора другим включенным мотор-редуктором с кареткой без навоза составляет от 700 до 800 Н, при транспортировании навоза кареткой – 1400-1460 Н.
Мощность, потребная на собственное вращение мотор-редуктора без каретки, составляет 346 Вт, с кареткой – без второго мотор-редуктора – 356 Вт, с кареткой и вторым, выключенным мотор-редуктором – 378 Вт.
Мощность, потребная на преодоление сопротивлений на внедрение каретки в навоз – 400 Вт, а на перемещение каретки с навозом – 432 Вт. Следовательно, на перемещение порции навоза массой 70 кг требуется мощность 54 Вт. Средняя скорость перемещения каретки равна 0,195 м/с. Средняя длина пути внедрения каретки в навоз 3,8 м, т.е. в среднем на одно скотоместо (В = 1,2 м) загружалось 20,7 кг навоза.
Масса одной порции навоза влажностью от 88,03 до 89,97 %, перемещаемой кареткой, изменялась от 58 до 71 кг (58,0 + 68,5 + 60,0 + 71,0 + 70,0, средняя масса порции 65,5 кг).
Исследования технологического процесса порционной уборки навоза опытным образцом установки подтвердили ее работоспособность (рисунок 5.13).