Содержание к диссертации
Введение
2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
2.1. Эффективность применения влажных кормосмесей и зоотехнические требования к ним 8
2.2. Способы и средства транспортирования и раздачи кормосмесей 9
2.3. Экономическая эффективность транспортирования и раздачи влажных кормовых смесей 13
2.4. Обзор исследований процесса транспортирования кормосмесей по трубам насосами 16
2.5. Цель и задачи исследования 32
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ ОБЪЕМНО-ВИБРАЦИОННЫМ НАСОСОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ 35
3.1. Обоснование кинематической схемы насоса 35
3.2. Исследование кинематики насоса 39
3.3. Определение подачи насоса 42
3.4. Энергоемкость процесса транспортирования кормосмесей объемно-вибрационным насосом дифференциального действия 45
4. ПРОГРАММ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ... 55
4.1. Программа исследований 55
4.2. Методика изучения физико-реологических характеристик перекачиваемых кормосмесей 56
4.2.1. Физико-механические свойства компонентов смеси 57
4.2.2. Определение относительной влажности смеси 58
4.2.3. Определение плотности смеси 61
4.2.4. Методика определения потерь давления внутри трубопровода 61
4.2.5. Методика определения реологических свойств смеси 63
4.3. Экспериментальная установка и методика определения измеряемых величии 65
4.4. Методика проведения производственных исследований 81
4.5. Обработка экспериментальных данных и оценка точности результатов 82
5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ. 86
5.1. Работа насоса с откидными клапанами 86
5.2. Работа насоса с тарельчатыми клапанами 90
5.2.1. Клапаны тарельчатые с псевдосферой 92
5.3. Сравнительные испытания насоса с клапанами различных типов 94
5.4. Влияние амплитуды и частоты колебания подвижного цилиндра насоса на подачу, к.п.д. и коэффициент подачи 97
5.5. Исследование влияния давления нагнетания, влажности и фракционного состава кормосмеси на основные характеристики насоса 100
5.6. Исследование влияния подпора на характеристики насоса 102
5.7. Изменение вакуума в межклапанном пространстве насоса 104
5.8. Взаимосвязь факторов, оказывающих влияние на основные характеристики насоса 107
5.9. Исследование процесса движения кормовых смесей по стальным трубопроводам III
6. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПЫТНЫХ
ОБРАЗЦОВ НАСОСОВ И ИХ АНАЛИЗ 124
6.1. Отсеивающие эксперименты 124
6.2. Описание почти стационарной области 126
6.3. Анализ математической модели факторов 130
7. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 144
7.1. Методика расчета насосной установки 144
7.I.I. Методика гидравлического расчета линии транспортирования кормосмесей 155
7.2. Реализация результатов исследований 158
7.3. Расчет экономической эффективности 160
ВЫВОДЫ 167
ЛИТЕРАТУРА 169
ПРИЛОЖЕНИЯ 180
- Эффективность применения влажных кормосмесей и зоотехнические требования к ним
- Обоснование кинематической схемы насоса
- Методика изучения физико-реологических характеристик перекачиваемых кормосмесей
- Работа насоса с откидными клапанами
- Отсеивающие эксперименты
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС, Продовольственной программе СССР предусматривается дальнейшее развитие свиноводства как наиболее скороспелой отрасли животноводства. К 1990 году намечено производить в стране свинины (в убойном весе) 7,0...7,3 млн.тонн. В выполнении поставленной задачи важную роль должна сыграть организация высокоинтенсивного свиноводства на промышленных комплексах и рекоструированных действующих фермах с машинными автоматизированными технологиями выращивания и откорма свиней влажными кормовыми смесями.
Результаты научных исследований и передовой опыт свидетельствуют, что влажное нормированное кормление является эффективным способом при производстве свинины [7, 30, 32, 44, 53, 54] .
Известно также, что процесс кормления на свиноводческих фермах является одним из наиболее трудоемких, на который приходится 30...40/О общих затрат труда по уходу за животными [92] . Поэтому разработка системы механизации кормления животных, позволяющей частично или полностью освободить человека от трудоемких операций по уходу за ними, не снижая при этом их продуктивности, является актуальной и важной задачей в развитии свиноводства.
Анализ показывает, что использование насосных установок объемно-вибрационного типа совместно с трубопроводом позволяет в значительной мере решить поставленную задачу и одновременно снизить потери кормов, улучшить санитарные условия, автоматизировать процесс, значительно увеличить количество скотомест в помещении, повысить производительность труда и раздавать кормосмеси, полностью отвечающие зоотехническим требованиям. Для широкого внедрения насосов данного типа необходимы специальные исследования, так как в литературных источниках отсутствуют рекомендации по проектированию и эксплуатации их.
Целью настоящей работы является разработка конструкции, обоснование параметров и методики расчета объемно-вибрационного насоса дифференциального действия для транспортирования полужидких кормосмесей по трубам на свиноводческих фермах.
На защиту выносятся следующие новые теоретические, научно-методические и практические результаты: принципиально новая конструкция насосной установки объемно-вибрационного типа дифференциального действия, защищенная авторскими свидетельствами № 703676 и № 994793; аналитическая зависимость для определения удельной энергоемкости процесса транспортирования кормосмесей влажностью 68% и выше с учетом основных параметров объемно-вибрационного насоса и физико-реологических характеристик кормосмесей; математические выражения для определения подачи, коэффициента подачи и к.п.д. насоса, а также потерь давления в трубопроводах диаметром 53, 80, 95, 125, 150 мм при транспортировании по ним кормосмесей влажностью 68% и выше со скоростью от 0,2 до 4,1 м/с; параметры объемно-вибрационного насоса, соответствующие минимальной энергоемкости при заданной подаче; методика выбора основных технологических и конструктивных параметров насосной установки для перекачивания кормосмесей влажностью 68$ и выше.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры механизации животноводства Белорусской сельскохозяйственной академии по комплексной теме Ш 116 "Совершенствование технологии и средств механизации раздачи полужидких кормов и перекачки навоза на свиноводческих фермах промышленного типа с использованием объемно-вибрационных насосов".
Насосы данного типа включены в систему машин на 1976...1980 гг., а также на 1980...1985 гг. (шифр I.0I.54).
Выражаю глубокую признательность научному руководителю члену-корреспонденту ВАСХНИЛ, заслуженному деятелю науки и техники БССР, доктору технических наук, профессору С.И.Назарову и руководителю комплексной темы доценту, кандидату технических наук Г.П.Цыганку за помощь и ценные советы при выполнении работы.
2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эффективность применения влажных кормосмесей и зоотехнические требования к ним
Многолетним опытом ведения свиноводства в Нечерноземной зоне СССР, а также в Чехословакии, ГДР [ill, 121, 122, 123] , Англии [116, 118] , Италии [lI9j и других странах установлено, что кормление свиней пастообразными и полужидкими кормосмесями, в состав которых входят концентрированные и сочные корма, а также корма животного происхождения с различными добавками, наиболее эффективно [7, 12, 94, 95, 115] . При этом вареный картофель является одним из лучших компонентов этой смеси, органическое вещество которого переваривается свиньями на 80...90/ [l40] .
На эффективность скармливания смесей влияет их влажность. Так, исследованиями БелНИИЖа [4 установлено, что наиболее целесообразно кормить подсосных свиноматок кормосмесями влажностью 65...73%. При применении смесей такой влажности свиноматки и сосуны лучше растут и развиваются, обладают лучшей жизнеспособностью, а корма расходуются наиболее экономично.
В зависимости от зоны производства свинины зоотехническая наука рекомендует разное соотношение сочных и концентрированных кормов. В Нечерноземной зоне в кормовом рационе должно быть сочных кормов 30...40%, концентрированных - 70...60% по питательности; в районах возделывания картофеля он может составлять более 25% кормового рациона; сочные корма - 10...15%, концентрированные - 70...60%; в зерновой зоне сочные - 10...15%, а концентрированные - 80...85% [7] .
Влажность кормовой смеси должна быть согласно зоотехническим требованиям в пределах 70...75%, а пищевых отходов - не выше 80%.
Большое влияние на транспортабельность смеси и ее проходимость в клапанных узлах, сужениях кормопроводов и насоса оказывают размеры частиц корма. Поэтому компоненты, используемые в сыром виде, измельчают, чтобы 70...75 массы составляли частицы не более 5...6 мм, 25...30/ - частицы не более 10... 15 мм, 10... 15% - волокнистые перемятые частицы тонкостебельных трав длиной 50...60 мм.
Зоотехническими требованиями допускается применение как металлических, так и пластмассовых трубопроводов для перекачивания кормосмесей. При этом оставшийся в трубопроводах после раздачи корм сохраняет свои качества [56, 71, 73, 74, І09І на протяжении 6 часов, а через 24 часа рН изменяется до 4,2, т.е. до величины, характерной для силосованного корма. Следовательно, промывать кормопровод после каждого кормления не обязательно.
class2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ ОБЪЕМНО-ВИБРАЦИОННЫМ НАСОСОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ class2
Обоснование кинематической схемы насоса
Согласно технических требований конструкция насоса должна хорошо вписываться в существующие технологические линии и схемы кормоцехов, удовлетворять линию по производительности, быть компактной и отвечать требованиям техники безопасности и производственной санитарии, обладать возможностью транспортирования кор-мосмесей, полностью отвечающих зоотехническим требованиям.
Всем этим требованиям отвечает горизонтальная компоновка насоса (рис.3.1), которая принята в наших исследованиях.
Насосная установка предназначена для подачи полужидких кормов (влажностью 68% и выше) из кормоцехов свиноводческих ферм по трубопроводам непосредственно в кормушки и бункеры-накопители кормораздатчиков КДС-3000 или мобильных раздатчиков КС-1,5. Она аг-регатируется со смесителями C-I2, АПС-6, С-2 и др.
Установка позволяет транспортировать вязкие жидкости, имеющие в своем составе волокнистые и твердые примеси, благодаря специальной конструкции клапанных узлов. Насосная установка [ЮЗ, 106, 107, 108] состоит из ступенчатого подвижного цилиндра I, выполненного таким образом, что площадь поперечного сечения одной части его в два раза больше площади поперечного сечения другой части.
В торец большего сечения подвижного цилиндра вмонтирован нагнетательный клапан 2, а сам подвижный цилиндр движется в бронзовых направляющих ьтулках, которые запрессованы в неподвижные корпусы 3 и 7, снабженные сальниковыми устройствами.
Методика изучения физико-реологических характеристик перекачиваемых кормосмесей
Плотность, объемная масса, влажность, гранулометрический состав, вязко-пластичные свойства перекачиваемых кормосмесей определяли в соответствии с общепринятыми методиками [21, 26, 45, 90, 91 ] .
Гранулометрический состав является одной из важнейших характеристик, на основании которой может быть обоснована высота подъема тарелки клапана и диаметр подвижного цилиндра. Визуальное изучение различных кормосмесей и замер отдельных частиц показывают, что волокнистые и твердые включения при прохождении через насос данного типа мало разрушаются. В связи с этим необходимо знать закон распределения частиц кормосмеси как случайной величины в определенных интервалах.
Для достижения определенной точности объем выборки определялся из неограниченной совокупности по зависимости [29]
А - возможная ошибка средней величины. Критерий Стьюдента зависит от избранного уровня значимости. Согласно таблицы Романовского [23] для Р= 0,95, размерность средней выборочной и средней генеральной не превысит Л =0,05, 6 = 2. Для определения объема необходимой выборки величина неизвестна. Поэтому, учитывая рекомендации J23 , вместо точного значения берем приближенное, установленное на основании нескольких пробных наблюдений. Избираем из найденных результатов наибольшее значение b = 0,0036. При указанных значениях объем выборки должен быть п = 6. Принимаем tb = 7...10. Это повысит точность экспериментов.
Методика определения закона распределения влажности, плотности, крупности и вязкости заключалась в следующем. Первоначально весь интервал варьирования разбивался на отдельные классы, верхний предел которых был больше, чем нижний на определенную величину. После этого рассчитывался в процентах вклад, вносимый отдельными классами в формирование навески кормосмеси, отвечающей необходимому объему выборки [зі] .
Работа насоса с откидными клапанами
Объемно-вибрационный насос дифференциального действия первоначально комплектовался клапанами откидного типа (рис.4.20, 4.21). В результате исследований насоса получены характеристики, которые изображены на рис.5.1, 5.2, а осциллограмма - на рис.5.3.
Зависимость подачи, коэффициента объемного наполнения и к.п.д. насоса от давления нагнетания при изменении угла подъема пластин клапана показана на рис.5.I. Из графика видно, что подача насоса зависит от угла открытия пластин клапана. С увеличением угла открытия пластин клапана с 10 до 20 подача насоса, работающего на излив, увеличилась в 1,74 раза, а при давлении 0,5 МПа - в 1,98 раза. Следует заметить, что при изменении угла открытия пластин клапана с 30 до 40 подача насоса при работе на излив изменилась только в 1,07 раза, а при давлении 0,5 МПа - в 1,1 раза, что говорит о нецелесообразности увеличивать угол подъема клапанных пластин свыше 40.
Данные измерения подачи при изменении угла открытия пластин клапана с 10 до 40 показывают, что при давлении 0,5 МПа, амплитуде 100 мм и кинематическом режиме 1,115 она изменилась в 3,12 раза, а коэффициент подачи и к.п.д. при тех же условиях - соответственно в 3,14 и 3,25 раза. Это говорит о том, что оптимальный угол подъема пластин клапана равен 40.
К.п.д. насоса возрастает при увеличении как давления, так и угла подъема пластин клапана. Наибольшее значение его соответствует работе насоса при давлении 0,5 МПа и угле подъема пластин клапана 40. Увеличение угла поворота клапанных пластин более 45 приводит к стуку клапанов и большим утечкам кормосмеси. Аналогичное явление наблюдалось с повышением кинематического режима работы насоса более 3.
Результаты опытов (рис.5.2) показывают, что подача, к.п.д. и коэффициент подачи насоса зависят не только от угла подъема створки клапана, но и от амплитуды колебания подвижного цилиндра. Например, при угле поворота пластин клапана 40 амплитуда увеличилась в 2,3 и 4 раза по сравнению с амплитудой 25 мм, а подача -соответственно в 1,56; 1,88; 2,25 раза. Изменение подачи отстает от изменения амплитуды.
На рис.5.3 показана осциллограмма с записью работы всасывающего и нагнетательного клапанов. Из нее видно, что цикл всасывания более растянут, а цикл нагнетания сжат. Процесс всасывания продолжается с запаздыванием, т.е. всасывающий клапан остается открытым в момент нагнетания, что ведет к снижению коэффициента объемного наполнения.
class5 РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПЫТНЫХ
ОБРАЗЦОВ НАСОСОВ И ИХ АНАЛИЗ class5
Отсеивающие эксперименты
Для проведения исследований с использованием полного факторного эксперимента, исходя из результатов поисковых опытов и аналитических разработок, были выбраны следующие факторы и их интервалы варьирования (табл.6.1). Остальные факторы, влияющие на процесс перекачивания кормосмесей, были зафиксированы на оптимальных уровнях.
В исследованиях приняты за постоянные: тип клапана - тарельчатый с псевдосферой; затяжка клапанной пружины - 4 Н/см2; давление нагнетания - 0,5 МПа; влажность кормосмеси - 70. ; подпор -0,003...0,004 МПа.
Таким образом, сущность отсеивающих экспериментов заключается в том, что небольшим числом опытов по специально составленной матрице воспроизводится ранжированный ряд в виде убывающей экспоненты, в котором все факторы располагаются в порядке убывания доли, вносимой в дисперсию параметра оптимизации. При помощи регрессивного анализа оценивали значимость выбранных факторов по их эффектам на шумовом поле, создаваемом несущественными факторами [4, 17, 33, 69] . Следовательно, формально целью эксперимента являет-ся определение численных значений коэффициентов уравнения регрессии, а для определения оптимальных условий протекания процессов находят значение факторов X, , х2 , Х3 , х , соответствующих экстремуму функции, именуемой функцией цели [б9] .
Для построения матрицы отсеивающего эксперимента использовали метод случайного баланса [69] . При числе факторов tt= 4 используем матрицу оптимальных планов для проведения экспериментов с целью описания поверхности отклика.
