Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и обоснование темы. цель и задачи исследования 7
1.1. Характеристики свиного навоза 7
1.2. Обзор существующих конструкций устройств удаления навоза 14
1.2.1. Гидравлические способы удаления 15
1.2.2. Транспортировка навоза пневматическими средствами 22
2.3. Механические способы удаления навоза 23
1.3. Анализ существующих средств удаления и исследований спирально-винтовых устройств 32
1.4. Обоснование темы. Цель и задачи исследований 34
2. Теоретические исследования перемещения неньютоновских жидкостей в спирально-винтовых устройствах открытого типа 38
2.1. Обоснование конструкции технического средства для удаления жидкого и полужидкого свиного навоза 38
2.2. Классификация жидкостей 40
2.3. Основные характеристики неньютоновских жидкостей 42
2.3.1. Предельное напряжения сдвига (предел текучести), коэффициент вязкости и их определение 45
2.4. Нестационарное движение неньютоновской жидкости 47
2.5. Стационарное (установившееся) движение жидкости 53
2.6. Активный слой в спирально-винтовом устройстве открытого типа 59
2.7. Распределение скоростей 61
2.7.1. Распределение скоростей внутри спирально-винтового устройства...61
2.7.2. Распределение скоростей в активном слое 64
2.8. Подача спирально-винтового устройства открытого типа 64
2.9 Выводы 69
3. Программа и методика экспериментальных исследований 70
3.1. Программа исследований 70
3.2.Методика определения физико-механических параметров свиного навоза (предельного напряжения сдвига ту, динамической вязкости ц, влажности f, плотности р) 70
3.2.1. Определение предельного напряжения сдвига навоза в зависимости от его влажности f и плотности навоза р 71
3.2.2. Определение динамической вязкости цу 73
З.З.Методика исследования влияния конструктивных и режимных параметров, физико-механических свойств на подачу спирально-винтового устройства открытого типа 74
3.3.1. Методика исследования подачи устройства 77
3.3.2. Методика исследования влияния активной зоны 79
3.3.3. Методика определения влияния длины забора 79
3.4. Методика определения энергетических показателей спирально-винтового устройства открытого типа при транспортировке свиного навоза с различными физико-механическими свойствами 80
3.5 Алгоритм и программа расчета подачи спирально-винтового устройств открытого типа на ЭВМ 85
3.6. Методика проведения производственных испытаний 86
3.7. Методика обработки результатов экспериментальных исследований и погрешность измерений 87
3.8. Выводы 94
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 95
4.1. Результаты исследования физико-механических свойств свиной жижи 95
4.2. Сравнение экспериментальных данных с теоретической моде лью 98
4.3. Затраты энергии на транспортирование свиной жижи 107
4.4. Результаты экспериментальных исследований и анализ конструктивных параметров спирально-винтового устройства открытого типа 113
4.5. Результаты производственных испытаний ИЗ
5. Эффективность исследований и рекомендации производству 118
Общие выводы 123
Литература 125
- Анализ существующих средств удаления и исследований спирально-винтовых устройств
- Предельное напряжения сдвига (предел текучести), коэффициент вязкости и их определение
- Определение предельного напряжения сдвига навоза в зависимости от его влажности f и плотности навоза
- Затраты энергии на транспортирование свиной жижи
Введение к работе
Перевод свиноводства на промышленную основу характеризуется высоким уровнем экономической эффективности производства продукции. Вместе с тем концентрация больших групп животных на ограниченной площади, станочное содержание их приводит к тому, что на свиноводческих комплексах получается огромный выход жидкого навоза. Так при производстве 1 кг свинины выход жидкого навоза составляет до 20 кг. Такое количество жидкого навоза требует специальных средств для его удаления за пределы свиноводческой фермы. Уборка навоза - одна из наиболее трудоемких операций в животноводстве. Во время уборки приходится транспортировать более 50% грузов, перевозимых на животноводческих фермах. В процессе удаления навоза выполняют следующие операции:
уборку помещений;
погрузку навоза на транспортные средства;
транспортировку к навозохранилищу или к месту компостирования и разгрузки;
приготовление органических удобрений
- погрузку и транспортирование навоза на поле, внесение его в почву.
Для выполнения этих операций разработано много различных машин и
механизмов. Применение механических средств удаления навоза позволяет освободить работников ферм от тяжелого физического труда и механизировать процесс уборки навоза на ферме.
В настоящее время происходит разукрупнение больших животноводческих комплексов, создание фермерских хозяйств и существующие средства удаления навоза не всегда удовлетворяют изменившимся условиям. Снижение материалоемкости, а, следовательно, и стоимости, является также одной из насущных потребностей, поэтому создание эффективных, простых по конструкции и надежных в эксплуатации средств удаления жидкого и полужидкого на-
воза на основе спирально-винтовых устройств открытого типа является актуальной задачей.
Целью работы является разработка теоретических основ взаимодействия неньютоновских жидкостей в спирально-винтовом устройстве открытого типа, обоснование его конструктивных и режимных параметров, изготовление, исследование в лабораторных и производственных условиях, выдача рекомендаций по внедрению. Исследование физико-механических свойств свиной жижи и методы их определения являются сопутствующей задачей, без решения которой невозможна экспериментальная проверка созданной теории движения неньютоновских жидкостей в спирально-винтовых устройствах открытого типа.
На защиту выносятся следующие положения;
-конструктивно-технологическая схема спирально-винтового устройства открытого типа для удаления жидкого и полужидкого навоза (патент №2210887 от 29.08.2003 г.);
-математическая модель движения неньютоновских жидкостей (свиного навоза) в спирально-винтовом устройстве открытого типа;
-аналитические выражения, устанавливающие зависимость подачи спирально-винтового устройства открытого типа от его режимно-конструктивных параметров и физико-механических свойств неньютоновских жидкостей, алгоритм и программа расчета на ЭВМ;
-результаты экспериментальных и производственных испытаний спирально-винтового устройства открытого типа и технико-экономические показатели его внедрения.
Результаты исследований использованы при разработке и внедрении спирально-винтового устройства открытого типа на свиноводческом комплексе учхоза УГСХА. Рекомендации по внедрению спирально-винтового устройства для удаления жидкого и полужидкого навоза переданы в институт Ульянов-скагропромпроект.
Анализ существующих средств удаления и исследований спирально-винтовых устройств
Рассмотрев и проанализировав выше перечисленные машины и механизмы можно сделать следующие заключения.
Гидравлические способы удаления навоза требуют большого количества воды, склоны к засорению навозных каналов, оправданы лишь на фермах с большим поголовьем скота.
Механические способы удаления. Скребковые транспортеры материалло-емки, потребляют много энергии, плохо работают на навозах с высокой влажностью (ТСН - 3,0Б; ТСН - 160), имеют большое количество подвижных элементов находящихся в агрессивной среде. Коррозии подвергаются все механические части, в особенности шарниры скребков. В связи с этим срок службы этих рабочих органов невелик. Наличие в навозной жиже аммиака способствует тому, что практически через 3...4 года приходят в негодное состояние заложенные в навозных каналах направляющие полосы, тяговые цепи, скребки за 33 клинивают, и они перестают складываться при холостом ходе. При возвратном
- поступательном движении для скреперных установок и транспортеров типа ТС - 1 возникают большие динамические нагрузки в момент реверсирования, что также снижает надежность механизмов.
Анализ литературных источников также выявил, что в описании существующих средств удаления навоза отсутствует связь между физико-механическими свойствами навоза и конструктивными параметрами средств удаления. В описании области применения того или иного средства удаления навоза используются в основном только качественные характеристики свойств (жидкий, густой и т.д.). Из физико-механических свойств при проектировании средств удаления навоза учитываются плотность, влажность, коэффициенты трения скольжения и фракционный состав. Реологические характеристики навоза, оказывающие основное влияние на процессы перемещения в расчет не берутся, что в первую очередь связано с трудностью их определения и отсутствием разработанной теории движения жидкостей с соответствующими реологическими характеристиками.
Проведенный анализ существующих машин и механизмов для уборки навоза позволяет выделить, как наименее материалоемкие, наиболее надежные в эксплуатации, простые в изготовлении, обслуживании и ремонте спирально-винтовые устройства. Использование спирально-винтовых устройств рассмотрено в работах ПА. Преображенского, Е.И. Резника, В.Г. Артемьева и др. Их исследования /18,62,66,76,77,78,85,88/ показали высокую эффективность спирально-винтовых устройств при перемещении сыпучих материалов, вязких и фекальных жидкостей. В работах Резника Е.И. /88/ отмечаются достоинства спирально-винтовых транспортеров: скорость вращения рабочего органа значительно выше скорости рабочего органа шнекового транспортера, что дает возможность, не снижая подачи, уменьшить диаметр рабочего органа транспортера и сделать его более компактным; простота конструкции, в которой отсутствуют какие-либо передаточные механизмы от двигателя к рабочему органу; масса материала может транспортироваться по пространственной кривой при различных изгибах трассы транспортера; эластичность спирально-винтового рабочего органа значительно снижает ударные нагрузки транспортируемой массы и уменьшает ее дробление.
В Шотландии /18/ используются рабочие органы с витками квадратного сечения, а осевая нагрузка передается тросом диаметром 3,2 мм, соединяющим оба конца рабочего органа, диаметр рукава при этом составляет 89 мм, а частота вращения - 1000 мин"1.
Об эффективности спирально-винтовых транспортеров можно судить по следующим данным:
«Дж. Мартин» Франция: подача 8 т/ч, длина рабочего органа 10 м, внутренний диаметр трубы 63,5 мм, мощность двигателей 1,62 и 0,625 кВт, частота вращения - 1400 и 2800 мин"1;
«Ланделл» Англия: подача 10 т/ч, длина - 9,1 м, внутренний диаметр трубы 76,2 мм, мощность двигателя 2,2 кВт, частота вращения -1400 и 2800 мин"1 ;
«Ф. Зеглер» ФРГ: подача 8 т/ч, длина - 10 м, диаметр трубы 63,5 мм, мощность двигателя 2,2 кВт, частота вращения - 1400 и 2800 мин"1;
«Н. Белоянис» ФРГ: подача 15 т/ч, длина - 10 м, диаметр трубы ПО мм, мощность двигателя 2,2 кВт, частота вращения пружины 1000 мин"1;
«А.Топен» Трехпружинный, Франция: подача 12 т/ч, диаметр трубы 120 мм, длина трассы 3,4 м, частота вращения - 1400, 2100 и 2800 мин 1, мощность привода 0,735 кВт, масса 170 кг;
«Рекорд Сейлз», Швеция: подача 17 т/ч, длина - 5,7 м, диаметр трубы 90 мм, мощность 2,25 кВт, частота вращения - 1400 и 2800 мин"1.
В работах /18/ проф. В.Г. Артемьева рассмотрены элементы теории горизонтального спирально-винтового транспортера, где для осевой скорости частиц 3t перемещаемого материала выведено следующее выражение:
9t =u)rsinJ(45( +фп/2)со5фп, где о -угловая скорость вращения рабочего органа, г -радиус рабочего органа, Ф„-угол наклона винтовой линии. Данное выражение получено для сыпучих материалов. Теоретические и экспериментальные исследования для вязких жидкостей выявило следующие закономерности /12,13,15,17/: подача спирально-винтового устройства с увеличением частоты вращения возрастает до определенного предела, а затем начинает уменьшаться; удельные энергозатраты на перемещение с увеличением частоты вращения вначале снижаются, затем наблюдается их рост.
Подача спирально-винтового устройства в кожухе (трубе) (для вертикального подъема вязких жидкостей) определяется по формуле /18/:
Предельное напряжения сдвига (предел текучести), коэффициент вязкости и их определение
На основании теоретических исследований установлено следующее, что -подача спирально-винтового устройства открытого типа возрастает с увеличением частоты вращения рабочего органа, увеличения его радиуса и диаметра проволоки рабочего органа, с уменьшением предельного напряжения сдвига и динамической вязкости. Возникновение активного слоя также приводит к росту подачи на 40...60 % в зависимости от физико-механических свойств неньютоновских жидкостей. С изменением частоты вращения и физико-механических свойств меняется характер течения неньютоновской жидкости - от движения всей жидкости как единого целого (образование ядра) до характерного для ньютоновских жидкостей вязкого течения.
В программу исследований включены следующие вопросы. Ї. Определение физико-механических параметров жидкого и полужидкого свиного навоза (предельного напряжения сдвига zy динамической вязкости
л, влажности f, плотности р).
2. Установление в лабораторных условиях влияния конструктивных и режимных параметров спирально-винтового устройства открытого типа на его подачу.
3. Определение энергетических показателей работы спирально-винтового устройства открытого типа при перемещении свиного навоза с различными физико-механическими свойствами.
4. Установление влияния физико-механических свойств жидкого и полужидкого свиного навоза на подачу спирально-винтового устройства.
5. Разработка алгоритма и программы расчета подачи спирально винтового устройства в зависимости от различных конструктивных параметров и физико-механических свойств неньютоновской жидкости на ЭВМ.
6. Проведение экспериментальных исследований в производственных условиях, предусматривающих сравнительную оценку и снятие энергетических показателей работы базового и экспериментального устройства при транспор тировке свиного навоза.
3.2. Методика определения физико-механических параметров свиной жижи (предельного напряжения сдвига ту, динамической вязкости ц, влажности f, плотности р) Определение физико-механических свойств, таких как предельное напряжение сдвига ту и динамической вязкости ц необходимо, так как имеющиеся в литературе данные недостаточны, а влияние их на характер течения свиной жижи в спирально - винтовом устройстве является одним из определяющих параметры устройства. Не существует стандартных методик определения предельного напряжения сдвига и динамической вязкости для свиной жижи, поэтому предлагается оригинальная методика измерения ту и т\,
Определение ту проводится следующим образом, изготавливается набор трубок различного диаметра, затем они наполняются свиным навозом и ставятся вертикально. Из части трубок свиная жижа вытекает, измеряется максимальный диаметр трубки, из которой жижа не вытекла, и рассчитывается предельное напряжение сдвига. Схема опыта приведена на рис.3 Л.
Для определения влажности навоза первоначально образец взвешивается, затем высушивается на электроплитке, опять взвешивается, и по формуле 3.1 рассчитывается влажность свиной жижи.
Определение предельного напряжения сдвига навоза в зависимости от его влажности f и плотности навоза
Определение ту проводится следующим образом, изготавливается набор трубок различного диаметра, затем они наполняются свиным навозом и ставятся вертикально. Из части трубок свиная жижа вытекает, измеряется максимальный диаметр трубки, из которой жижа не вытекла, и рассчитывается предельное напряжение сдвига. Схема опыта приведена на рис.3 Л.
Для определения влажности навоза первоначально образец взвешивается, затем высушивается на электроплитке, опять взвешивается, и по формуле 3.1 рассчитывается влажность свиной жижи.
где шв - масса образца влажного навоза; шс - масса обезвоженного («сухого») образца.
Вес образцов определялся помощью весов ВЛКТ - 500 с погрешностью отсчета 0,05 г. Плотность свиной жижи определяется следующим образом:
- взвешивается мерная емкость (погрешность взвешивания 0,01 г);
- заполняется мерная емкость (V=1000 см3, погрешность определения объема 1см3 или 0,1%);
- взвешивается на аналитических весах (погрешность взвешивания
0,01 г) мерная емкость и определяется масса свиного навоза;
- по формуле (3.2) рассчитывается плотность навоза.
ми методами затрудненно, а иногда даже невозможно, поэтому вначале определяется кажущаяся вязкость ц (см. 2.2.1), а затем рассчитывается значение ц. Для каждого образца предварительно определяется предельное напряжение сдвига ту.
Измерение кажущейся вязкости проводится следующим образом: берется длинная трубка с диаметром d больше d, , наполняется свиным навозом, ставится вертикально и измеряется время вытекания навоза из трубки. В соответствии с выражением (2.22)
Время вытекания измерялось электронным секундомером Carser с точностью отсчета 0,05с. Трубка берется длиной 0,8... 1м, материал трубки сталь или бумага (несколько слоев). Затем согласно уравнения (2.23) рассчитывается динамическая вязкость
f т 1У PgR; 16+—3 f т 1IpgRj
Измерение q проводилось не менее 5 раз для каждого образца, перед каждым измерением свиной навоз тщательно перемешивался до получения однородной консистенции. Схема опыта приведена на рис.3.2.
3.3. Методика исследования влияния конструктивных и режимных параметров, физико-механических свойств на подачу спирально-винтового устройства открытого типа
При разработке спирально-винтового устройства открытого типа (транспортера) необходимо определить основные конструктивные и режимные параметры и их влияние на подачу устройства и энергетические показатели. Кроме того, необходимо определить взаимосвязь между подачей и физико-механическими свойствами свиного навоза. С этой целью была создана экспериментальная установка (рис. 3.3, 3.4). Параметры установки:
-длина транспортирования 0,6 м, 1,6м, 13,6м;
- частота вращения варьировалась от 39 до 800 об/мин;
- радиус спирально-винтового рабочего органа (15мм, 17мм, 19мм, 22мм), шаг винтовой линии рабочего органа (30мм, 35мм, 38мм, 45мм) и диа метр проволоки (4мм, 8мм) варьировались путем замены одного рабочего орга на на другой. Кроме того, проводилось измерение потребляемой мощности. При длине транспортера 13,6м через 1„.1,4м устанавливались успокоители (металлические полоски шириной 2...3 см), прижимающие спирально-винтовой рабочий орган желобу. Основными факторами, влияющими на подачу устрой ства являются:- частота вращения п, об/мин;
- радиус рабочего органа R, м; a)
Экспериментальная установка длиной 13,6м. а) привод установки; б) выгрузка свиного навоза в мерную емкость - диаметр проволоки рабочего органа 8, м;
- шаг винтовой линии рабочего органа S, м;
- физико-механические свойства навоза хуи т\;
- наличие активной зоны;
- длина забора.
Изменение частоты вращения осуществлялось путем изменения питающего напряжения (при длине транспортирования 0,6м и 1,6м) или передаточного числа привода (длина транспортирования 13,6 м).
Чтобы оценить влияние неравномерности загрузки транспортера (длины забора) и высоту активного слоя была создана лабораторная установка длиной 0,6м с загрузочным бункером.
Затраты энергии на транспортирование свиной жижи
Методика проведения экспериментов и лабораторной установки приведены в разделах 3.3 и 3.4. Определение удельных энергозатрат проводилось в многофакторном эксперименте (табл. 4.3) и во время определения подачи транспортера (рис. 4.14...4.16, табл. П.1.1). В результате обработки опытных данных многофакгорного эксперимента были определены численные значения коэффициентов регрессии: bo=0,1106; bi=-0,0029; b2=0,0396; b3=-0,0384 ;bi2=-0,0009; b13=-0,0029 b23M),010.
Оценку дисперсии воспроизводимости определим согласно выражению (3.13) Sy2 =1,6 10-7.
Полученные коэффициенты проверим на значимость по условию /92/:
После постановки полного факторного эксперимента, расчета коэффициентов регрессии определяем расчетные значения выхода Y/. Полученное уравнение регрессии проверим на адекватность с помощью критерия Фишера, представляющее собой отношение
На основании анализа экспериментов следует что потребляемая мощность при транспортировании возрастает с увеличением частоты вращения, а следовательно и подачи, и с ростом предельного напряжения сдвига и динамической вязкости. Для получения объективной оценки энергозатрат при транспортировании свиной жижи необходимо из общей потребной мощности вычесть мощность потребляемую приводом на этой же частоте вращения, так как конструкции приводов могут быть различными и обладать различным коэффициентом полезного действия. Для этого строилась зависимость потребляемой приводом мощности при отсоединенном рабочем органе при различных частотах вращения (рис.4.13).
В результате экспериментов было установлено, что удельный расход электроэнергии уменьшается с ростом частоты вращения, увеличения радиуса рабочего органа и снижением предельного напряжения сдвига. При частоте вращения более 300 мин удельные энергозатраты для всех испытанных транспортеров менее 0,2 Втч/кг. Для сравнения - удельные энергозатраты транспортера ТСН-160 и ТСН-3,0Б составляют 0,8-0,9 Втч/кг, транспортера ТС-1 - 0,3 Втч/кг. Оптимальный режим работы транспортера определяли по удельному расходу электроэнергии. Схема и условия опытов изложены в разделе 3.4, По результатам экспериментов построены графики зависимостей удельного расхода электроэнергии Ny от частоты вращения n (4.14,..4.16).
. Результаты экспериментальных исследований и анализ конструктивных параметров спирально-винтового устройства открытого типа В результате исследований можно сделать вывод, что наиболее оптимальным по подаче (см. п.2.1 и рис.4.5), по удельным энергозатратам (см. рис.4.11...4.14) является спирально-винтовое устройство открытого типа со следующими параметрами:
- радиус спирально-винтового рабочего органа R=0,0225 м;
- диаметр проволоки рабочего органа б =8 мм;
- шаг винтовой линии 5=0,045 м;
- расстояние между успокоителями 2,5... 3 м.
Согласно проведенным исследованиям оптимальной является частота вращения рабочего органа 400 мин" ...700 мин" . При этих частотах вращения наименьшие удельные энергозатраты (см. рис.4.14), повышение частоты вращения более 700 мин" приводит к влиянию скорости поступления навоза на подачу (см. п.4.2),
Производственные испытания спирально-винтового устройства открытого типа проводилось на свинарнике Учхоза УГСХА. Устройство было установлено в продольном навозном канале заполненным свиным навозом (рис.4.17...4.20).
Спирально-винтовой рабочий орган имел две концевые опоры (рис. 4.20), для уменьшения биений рабочего органа, он был установлен с предварительным натягом 800 Н, Навозная жижа в поперечном и продольном сечении навозного канала была неоднородна по своим физико-механическим свойствам, имела большое количество включений представляющих остатки зеленого кор 114 ма, длина растительных остатков составляла 100... 100 мм. При ширине навозного канала 800 мм свиная жижа по высоте занимала 300 мм, транспортер проходил по середине канала на высоте 80 мм от дна. Начиная с расстояния 1,5 м от пересечения продольного и поперечного каналов и до поперечного канала, высота навозной жижи уменьшалась до нуля. Первоначально навозная жижа во высоте была расслоена. На дне канала находился густой осадок высотой 20-30 мм, его толщина увеличивалась до 40 мм краю канала. Выше находилась жидкая фракция (смесь мочи и воды) толщиной от 50 до 100 мм, поверх жидкой
