Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 13
1.1. Требования к подготовке субстратов. Значение проблемы сепарации ферментированных твёрдых органических удобрений 13
1.2. Анализ способов разделения механических смесей и конструкций сепарирующих устройств 19
1.2.1. Анализ существующих способов разделения механических смесей .. 19
1.2.2. Анализ известных конструкций просеивающих устройств для разделения сыпучих материалов 25
1.2.3. Устройство технологической линии для приготовления субстрата 39
1.3. Обзор существующих исследований процессов разделения твёрдых органических материалов. 42
1.4. Цель и задачи исследований 51
2. Теоретические исследования работы сепарирующего устройства 54
2.1. Описание технологического процесса и конструкции сепарирующего устройства 54
2.2. Расчет мощности привода грохота 56
2.2.1. Определение мощности, затраченной на ударное взаимодействие поверхности грохота с обрабатываемым материалом 51
2.2.1.1. Определение силы давления потока частиц материала на неподвижную наклонную поверхность грохота. 57
2.2.1.2. Определение ударного импульса частиц на движущуюся поверхность грохота. 62
2.2.1.3. Анализ влияния формы колосников 65
2.2.2 Расчёт мощности, затраченной на транспортирование и просеивание материала 78
2.3. Выводы по главе 84
3. Методика и результаты исследований физико-механических свойств ферментированных твердых органических удобрений 86
3.1. Методика исследований физико-механических свойств ферментированных твёрдых органических удобрений. 86
3.2. Результаты исследований физико-механических свойств ферментированных твёрдых органических удобрений 93
3.3. Выводы по главе 105
4. Экспериментальные исследования сепарирующего устройства .106
4.1. Описание лабораторной установки 106
4.2. Программа и методика экспериментальных исследований 109
4.3. Выбор критерия оптимизации процесса сепарации ферментированных твёрдых органических удобрений 111
4.4. Выбор факторов и уровней их варьирования. Методика и результаты экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров сепарирующего устройства. 115
4.4.1. Выбор факторов и уровней их варьирования. 115
4.4.2. Методика экспериментальных исследований по определениюоптимальных параметров сепарирующего устройства . 119
4.4.3. Результаты экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров сепарирующего устройства. 125
4.5. Определение мощности экспериментальной установки при оптимальных режимах работы 133
4.6. Выводы по главе 140
5. Производственные испытания и расчёт экономической эффективности исследуемого сепарирующего устройства 142
5.1. Производственные испытания предложенного сепарирующего устройства, 142
5.2. Экономическая эффективность предложенного сепарирующего устройства. 145
Общие выводы 150
Список литературы 152
Приложения. 170
- Анализ существующих способов разделения механических смесей
- Определение мощности, затраченной на ударное взаимодействие поверхности грохота с обрабатываемым материалом
- Результаты исследований физико-механических свойств ферментированных твёрдых органических удобрений
- Методика экспериментальных исследований по определениюоптимальных параметров сепарирующего устройства
Введение к работе
Господствовавшая в последнее время в нашей стране концепция интенсификации сельскохозяйственного производства, в практической её реализации, слабо учитывала комплекс экологических проблем, возникших в результате резкого возрастания антропогенных нагрузок на природную среду. Начиная с 60-х годов прошлого столетия, земледелие в нашей стране развивалось за счет непрерывного наращивания средств химизации. Огромные, зачастую неконтролируемые дозы минеральных удобрений и ядохимикатов в растениеводстве, позволившие на начальном этапе значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур, долгое время не изучались как антропогенный фактор воздействия на природу [1]. Однако давно известно, что любые антропогенные воздействия на экосистемы, включая и агроэкосистемы, неизбежно приводят к нарушению естественного биологического круговорота веществ в природе и иногда такие нарушения могут стать необратимыми.
Результаты непродуманного вмешательства в естественные процессы круговорота веществ уже известны: деградированная и разрушенная структура почвы, мертвые и зараженные в крайне опасных дозах тяжёлыми металлами, ядохимикатами, нитратами и другими веществами поля, водоемы, непригодная для питания продукция [2... 7].
Ежегодная потеря гумуса, главного элемента плодородия почвы с 1 га пашни Саратовской области составляет, по оценкам экологов, 400-700 кг. За последние 20 лет площадь деградированных земель в России увеличилась в 1,6 раза, запасы гумуса уменьшились на 30-50%, а 88% пашни имеют содержание гумуса ниже оптимального и по России в целом его теряется более 84 млн. т. в год. Пахотных земель, отвечающих международным стандартам, у нас осталось около 8% [3, 8,9... 11].
Данная проблема характерна не только для нашей страны, она является проблемой мирового масштаба. За всю историю своего существования человечеством было освоено и заброшено в результате деградации 2 млрд. га плодородных земель - это больше площади ныне обрабатываемых полей и пастбищ, составляющей около 1,5 млрд. га, и за последние 50 лет скорость потери таких почв увеличилась в 30 раз по сравнению со средней исторической. Вот почему известные экологи мира Ж. Дорст, Л. Браун и др. называют этот ускоряющийся процесс самой сильной угрозой благополучию человечества [3].
Время увлечения минеральными удобрениями прошло, однако это не явилось решением всех экологических проблем [8,12... 16]. Всё более острой, особенно для крупных городов, становится проблема утилизации продуктов техногенеза, чуждых биосфере и её почвенному слою, не вписывающихся в естественный биологический круговорот веществ [17, 18]. Все традиционные методы их утилизации доказали и доказывают свою несостоятельность [19]. Причина - в запоздалом развитии научных основ комплексной охраны и восстановления природной среды.
Использование некоторых животноводческих и промышленных отходов в исходном виде - навоза, птичьего помета, сапропеля, лигнина, осадков сточных вод и других в качестве органических удобрений не является решением проблем, так как они имеют множество недостатков: засорённость семенами сорных растений, наличие механических примесей, солей тяжёлых металлов, патогенных бактерий, вирусов, грибков, повышенная кислотность и тому подобное, совокупность которых порой приводит к отрицательному эффекту от их применения [20...27]. В связи с этими и другими проблемами, по оценкам экологов, только в Саратовской области скопилось около 2 млн. т. навоза, использование которого в качестве удобрений весьма затруднено из-за большого количества посторонних примесей и отсутствия эффективных технологий и технических средств по его очистке и внесению. К тому же
только для бездефицитного поддержания баланса гумуса в почве ежегодно необходимо вносить не менее 15 т/га органических удобрений[11].
Тем не менее, мировой опыт свидетельствует, что проблема биологизации земледелия и производства экологически чистой продукции может быть успешно решена. Путь еб решения - использование метода промышленного вермикультивирования (от латинского vermis - черви) и применение продуктов вермипроизводства - вермикомпоста и биомассы вермикультуры в растениеводстве и других отраслях народного хозяйства [31...48]. Еще в 1881г. Ч. Дарвин писал, что «вся земля, образующая растительный слой, неоднократно прошла через кишечник дождевого червя и только после этого приобрела свое главное свойство - плодородие» [28]. В США, Канаде [29, 40, 41, 49,], Великобритании [36, 37, 39], Франции [38], Италии [34, 42, 43], Дании [45,50], Чехословакии [48], Венгрии [44], Финляндии [52...54], Японии [47, 83], Гонконге [35], Китае [31] и многих других странах [32...54] на протяжении уже нескольких десятков лет занимаются промышленным вермикультивированием - разведением культурного гибрида дождевого червя, отличающегося высокой плодовитостью и продолжительностью жизни. Использование метода промышленного вермикультивирования позволяет:
-наладить безотходную технологию сельскохозяйственного производства, утилизируя органические отходы различного происхождения: животноводства, растениеводства, деревообрабатывающей,
перерабатывающей, фармацевтичес-кой и других отраслей промышленного производства, твёрдые бытовые отходы, осадки сточных вод и многие другие;
-получать полноценное комплексное удобрение длительного действия, содержащее огромное количество полезных микроорганизмов, энзимов и коконов червей для ведения биодинамического сельского хозяйства, получения экологически чистой продукции, реанимации стерильных почв и воспроизводства их структуры и плодородия, свободное от патогенных
микроорганизмов [55], по эффективности в 8-10 раз превосходящее другие виды органических удобрений;
-получать полноценный животный белок, содержащий незаменимые аминокислоты для кормления птицы, рыбы, скота, использования на фармакологические, косметические и кулинарные цели [5... 84].
Расчёты показывают, что ферма на 400 коров производит в год молока на 6-9 млн. рублей, и столько навоза, что если его переработать в вермикомпост, то на этом можно заработать 15-18 млн. рублей (в ценах 2003-2004г.). При этом рентабельность молока может доходить до 50%, а вермикомпоста меньше 300% не бывает [57, 58]. С помощью вермикультуры можно частично решить проблему дефицита белковых кормов: известно, что в умеренном климате 1га пшеницы дает, в среднем, 350 кг протеина, а занятый вермикультурой - до 40 т белковой муки в год, превосходящей по содержанию протеина рыбную, соевую и мясокостную кормовую муку[24, 69, 71]. Одна тонна органических отходов при переработке ее червями дает до 600 кг биогумуса и около 100 кг биомассы червей, которая отличается высокой питательной ценностью [19,24, 56, 59,60].
Вермикультура настолько перспективна, что в США черви формы «красный калифорнийский гибрид» входили в список Координационного комитета по контролю за экспортом (КОКОМ) в числе товаров и технологий стратегического значения, запрещённых к ввозу в бывшие социалистические страны [62].
В зависимости от целей производства, существуют различные технологии вермикультивирования, частично или полностью адаптированные к региональным климатическим особенностям нашей страны [23, 59, 63...66, 70, 89]. Однако на основе анализа производственной деятельности вермихозяйств установлено, что процесс производства вермикомпоста отличается низким уровнем механизации выполнения технологических операций [70]. Это с одной стороны приводит к большим затратам ручного
труда, а с другой стороны — ставит в зависимость от умения и опыта персонала точность ведения технологического процесса и, как следствие, себестоимость и качество готовой продукции [66, 72]. Поэтому внедрение промышленного способа вермикультивирования в нашей стране требует безотлагательного решения качественно новой проблемы механизации технологических процессов вермикомпостирования
На основе анализа отечественного и зарубежного опыта установлено, что одной из наиболее трудоёмких технологических операций при вермикультивировании является приготовление субстрата, играющего для червей роль среды обитания и пищи, благодаря которой обеспечивается вся их жизнедеятельность. Поэтому от характера субстрата и качества его приготовления зависит общее состояние популяции червей, скорость его переработки, интенсивность размножения и накопления биомассы, количество и качество готового вермикомпоста [69, 72, 85, 127, 168].
В качестве основной составной части субстрата чаще всего используют твердые органические удобрения (ТОУ) - прошедшие ферментацию навоз сельскохозяйственных животных, птичий помет и др. Однако существующие в настоящее время на птицефабриках и фермах КРС технологические схемы уборки и утилизации удобрений не позволяют получить сырьё, отвечающее технологическим требованиям на приготовление субстрата. В процессе уборки, транспортировки и, зачастую, бесконтрольного хранения ТОУ в них в неограниченном количестве попадают механические примеси различного происхождения, оказывающие крайне негативное воздействие на функциональную надёжность используемых измельчителей и смесителей, на ход технологического процесса, и, в конечном итоге, на выход и качество готовой продукции [77, 85...88].
В связи с этим возникает необходимость включения в технологические линии по приготовлению субстрата устройств для сепарации ферментированных ТОУ. Использование в некоторых случаях разделяющих
устройств, заимствованных из других хозяйственных отраслей, по ряду очевидных причин не решает проблему в целом. Поэтому необходимость создания эффективного сепарирующего устройства, в связи с обозначенными выше проблемами, приобретает в настоящее время особо важное значение.
Процесс сепарации ферментированных ТОУ весьма сложен, мало изучен, чрезвычайно разнообразен по физико-механическим свойствам разделяемых компонентов, конструктивным и режимным параметрам сепарирующих устройств.
Всё это свидетельствует о необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса сепарации ферментированных ТОУ, разработки эффективной конструкции и обосновании оптимальных конструктивно-режимных параметров сепарирующего устройства.
Решению этих вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.
Анализ существующих способов разделения механических смесей
Технологический процесс очистки ферментированных твердых органических удобрений от механических примесей при вермикультивировании делает лишь первые шаги в сельскохозяйственном производстве. В то же время это направление является перспективным и необходимым с точки зрения предотвращения поломок оборудования, используемого для приготовления субстрата, повышения выхода и качества готового продукта и, в итоге, эффективности и рентабельности промышленного вермикультивирования.
Существует множество методов отделения инородных механических примесей от сельскохозяйственных материалов, обусловленных различными условиями, целями и задачами производства, характеристиками разделяемых компонентов. В связи с этим применяется множество сепарирующих устройств различных конструкций, как специального назначения, так и заимствованных из других хозяйственных областей. Большое разнообразие этих машин объясняется широким диапазоном различия физико-механических свойств разделяемых компонентов, а также дальнейшими поисками эффективных и рациональных конструкций сепарирующих устройств.
Применяемые на практике способы и сепарирующие устройства для очистки зерна, корнеклубнеплодов, стебельных кормов, животноводческих стоков рядом исследователей по некоторым признакам классифицированы [93... 100]. Однако вопросы отделения механических примесей от ферментированных твёрдых органических удобрений до сих пор остаются практически неисследованными, что свидетельствует о необходимости поиска наиболее приемлемого способа отделения и эффективной конструкции сепарирующего устройства.
Рассмотрим методы разделения механических смесей, основанные на использовании наиболее резко различающихся свойств компонентов.
Все известные методы можно классифицировать по используемым физико-механическим свойствам: плотности, упругости, геометрической форме, твёрдости, фрикционным свойствам, липкости, геометрическим размерам, аэродинамическим, радиационным, радиофизическим, магнитным, электрическим, светоотражательным свойствам, смачиваемости, растворимости компонентов и другим [87, 88].
Плотность компонентов является очень характерным показателем, использование которого для разделения смесей твердых тел получило широкое применение [93, 101, 102]. Существует несколько способов разделения составляющих по плотности: гидравлический, вибрационный, в «кипящем» слое, в тяжёлых суспензиях, отсадка. Однако необходимо сразу отметить, что получившие широкое распространение гидравлические способы разделения не могут быть применены для очистки твёрдых органических удобрений, так как при этом будет происходить вымывание ценных минеральных и органических веществ, а после окончания процесса разделения потребуется дополнительная энергоёмкая операция - сушка [87, 88].
Неодинаковые упругие свойства материалов позволяют получить различные скорости и дальности полёта частиц после их удара о разделительную поверхность. Различная дальность отскока компонентов даёт возможность использовать свойство упругости для разделения некоторых механических смесей твёрдых тел [93,98,100,102,103].
Использование различия геометрической формы составляющих для разделения смесей широко применяется в сельском хозяйстве. Для этой цели используются различные сита и другие приспособления (например, триеры) имеющие определённый размер и форму проходных отверстий или ячеек, соответствующие свойствам составляющих разделяемого материала[95, 104... 106].
Сепарация смесей по твердости обуславливается различной степенью дробления составляющих. В процессе дробления менее твёрдые частицы разрушаются и образуют мелкие компоненты. Грохочением дроблёной массы можно отделить крупные, прочные фракции от мелких [107... 113]. В горной промышленности для удаления глины из щебня и гравия, а также в сельском хозяйстве для отделения клубней картофеля от комков почвы используется щетинистая поверхность или металлические иглы, на которые накалываются компоненты. Вследствие недостаточной силы сцепления одних компонентов с иглами происходит их самопроизвольное сбрасывание. Компоненты же, имеющие большую силу сцепления с иглами, снимаются с игл сбрасывателями, установленными в другой зоне[101,102].
Фрикционные свойства компонентов в сельском хозяйстве используют как фактор разделения в картофелеуборочных машинах для очистки клубней от почвенных комков и для сепарации зерна. Для этого применяются такие приспособления, как скатный лоток, фрикционный барабан, продольные и поперечные полотенные горки [102,104,114].
При различной липкости компонентов теоретически возможно разделение механических смесей за счёт различия сил прилипания компонентов, например, к металлической поверхности. Однако ферментированные твёрдые органические удобрения, также как и содержащиеся в них посторонние примеси, даже при высокой влажности (70-80%) липкости практически не имеют, поэтому очевидно, что такой способ разделения для них бесперспективен.
Метод разделения механических смесей твердых тел по геометрическим размерам наиболее простой, недорогой, и вследствие этого, широко распространенный [96, 97, 107...113, 115]. Осуществляется он при помощи устройств просеивающего типа разнообразных конструкций.
Также довольно широко распространена сепарация смесей по аэродинамическим свойствам компонентов[96, 97, 104,116...118]. Здесь можно различить две основных разновидности процесса: в воздушном потоке и в процессе свободного полета. Однако при обоих способах основными факторами разделения являются сила тяжести и коэффициент парусности частиц.
Сепарация с использованием радиационных свойств материалов нашла широкое применение в картофелеуборочной технике за рубежом. Фирмой Ватсон (Великобритания) был создан производственный образец рентгеновского сепаратора, устанавливаемого на картофелеуборочный комбайн «Уитсед электроник», а фирма Хейстер-Харвестер выпускает стационарные рентгеновские сепараторы 150МК-2 и «Марксман 250». В Германии аналогичные сепарирующие устройства с использованием рентгеновского лучевого реле 25112 выпускаются заводами Веймар-верк и Мессэлектроник «Отто Шен» [102]. В России ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля (г. Рязань) и ВИСХОМ также предлагают на производственном комбайне ККУ-2 вместо переборочного стола использовать специально разработанный радиоизотопный сепаратор [102, 140]. Все описанные устройства действуют по общему принципу, аналогичному принципу действия гамма-дефектоскопов и плотномеров, широко применяемых в металлургической, химической, строительной, горно-обогатительной отраслях промышленности.
Определение мощности, затраченной на ударное взаимодействие поверхности грохота с обрабатываемым материалом
Анализ всех вышеперечисленных работ показал, что все исследователи начинают описание процесса движения материала с того момента, когда материал уже находится на рабочей поверхности сита (грохота), а возможные условия попадания материала на эту поверхность ими не рассматриваются. Между тем, технологическая особенность работы плоских качающихся сепарирующих устройств, используемых во многих отраслях сельского хозяйства и промышленности, зачастую состоит в том, что частицы потока обрабатываемого материала при подаче оказывают на поверхность грохота ударное воздействие, и такое воздействие необходимо учитывать, поскольку оно существенно влияет на конструктивно - технологические параметры устройства.
Также анализ всех вышеперечисленных работ показал, что при расчете технологических и конструктивных параметров грохотов не уделяется должного внимания процессу возможного ударного разрушения обрабатываемого материала при его взаимодействии с рабочей поверхностью. Эту особенность можно полезно использовать для дополнительного измельчения обрабатываемого материала.
В связи с этим, при проектировании двухъярусного сепарирующего устройства основной задачей становится исследование процесса ударного разрушения обрабатываемого материала, происходящего на верхнем ярусе грохота, а для описания процесса разделения на нижнем ярусе можно использовать уже существующие методики расчета. Однако при этом необходимо отметить, что вопросы сепарации ферментированных твёрдых органических удобрений, обладающих специфическими физико-механическими свойствами, остаются по-прежнему неизученными. Следовательно, использование приведённых вышеперечисленными исследователями закономерностей без соответствующих корректировок и доработок не представляется возможным. Поэтому данные вопросы требуют дальнейшего научного исследования.
Одна из наиболее трудоёмких технологических операций при вермикультивировании - приготовление субстрата, основной составной частью которого являются ферментированные твёрдые органические удобрения. Практика показывает, что в процессе уборки, транспортировки и бесконтрольного хранения ТОУ на животноводческих фермах и птицефабриках в них в неограниченном количестве попадают механические примеси различного происхождения, оказывающие крайне негативное воздействие на ход дальнейшего технологического процесса, и, в конечном итоге, на выход и качество готовой продукции. Однако в производственных условиях полностью отсутствуют специализированные средства механизации, адаптированные для очистки ферментированных ТОУ, так как промышленностью они не выпускаются.
Исходя из анализа известных способов разделения сыпучих смесей, конструкций сепарирующих устройств и физико-механических свойств исходного материала, эту задачу можно решить при помощи разработки и создания наиболее рационального по конструкции двухъярусного сепарирующего устройства В связи с этим, целью настоящих исследований является совершенствование технологии вермикомпостирования и приготовления субстрата, улучшение качественных и технико-экономических показателей двухъярусного сепарирующего устройства ферментированных ТОУ за счет совершенствования процесса его работы и оптимизации конструктивно-режимных параметров. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: на основе анализа разработать классификацию сепарирующихустройств для создания наиболее рационального и эффективного разделяющего устройства, обеспечивающего качественную сепарацию твёрдых органических удобрений; - теоретически обосновать основные конструктивно-режимные параметры сепарирующего устройства; - экспериментально проверить теоретические предпосылки и определить оптимальные конструктивно-режимные параметры сепарирующего устройства; - исследовать в лабораторных условиях некоторые физико-механические свойства ферментированных ТОУ, влияющие на работу сепарирующего устройства; - провести производственные испытания экспериментального сепарирующего устройства для выявления его работоспособности в производственных условиях; - определить экономическую эффективность применения предложенного сепарирующего устройства.
Результаты исследований физико-механических свойств ферментированных твёрдых органических удобрений
Разработка и обоснование оптимальной конструктивно-технологической схемы сепарирующего устройства должна производится с учетом всех факторов, влияющих на очистку ферментированных ТОУ. Грамотное построение технологического процесса требует тщательного изучения физико-механических свойств обрабатываемого материала, так как качество сепарации зависит от того, насколько правильно выбраны способы разделения и конструктивно-режимные параметры установки. При этом необходимо учитывать, что физико-механические свойства органических удобрений значительно изменяются в зависимости от сроков и способов их хранения. Для исследования были выбраны наиболее распространённые и отвечающие технологическим требованиям на вермикультивирование следующие органические удобрения: навоз КРС и свиной навоз 12 месячного срока хранения и птичий помёт 24 месячного срока хранения. Определение физико-механических свойств указанных компонентов проводилось в соответствии с общепринятыми рекомендациями [127,157... 162].
Засорённость ферментированного птичьего помета посторонними механическими примесями характеризовалась процентным массовым содержанием и размерами этих примесей, содержащихся в 1м3 помета. При этом вручную проводили тщательный разбор вышеназванного объема помета (в трёхкратной повторности), после чего обнаруженные примеси взвешивали и замеряли их размеры.
Насыпную плотность удобрений определяли по стандартной методике [157]. Для этого использовали предварительно взвешенный ящик, который загружали удобрениями выше стенок, затем излишек срезали по уровню кромок ящика и взвешивали. Насыпную плотность /?, кг/м , определяли по формуле: масса пустого и заполненного ящика соответственно, кг; - длина, высота, ширина ящика по внутренним поверхностям, м.
Влажность ТОУ определяли с использованием стандартных методик [157, 158] при помощи сушильного шкафа типа 2В-151, эксикатора для охлаждения бюксов и аналитических электронных весов OHAUS Scout SC2020-3A1 с точностью взвешивания до 0,001г. (рис. 3.1). Влажность удобрений в процессе исследований поддерживалась постоянной, при необходимости её увеличения массу добавляемой воды определяли по формуле А.П. Геркова [159]. Влажность рассчитывалась по формуле: где щ, т2 - масса бюкса с навеской до и после высушивания и охлаждения, соответственно, г; т - масса бюкса, г. Угол трения и угол естественного откоса определялись по методике, предложенной в работе [160] с помощью специального устройства, изображенного на рис. 3.2. Устройство состоит из неподвижной горизонтальной плоскости 1, на которой посредством поворотного шарнира 2 закреплён ящик 3 таким образом, что другая его сторона при помощи ходового винта 4 способна подниматься и опускаться, наклоняя тем самым ящик под некоторым углом к горизонту. Величина угла при этом фиксируется с помощью угломера 5.
Эксперименты проводились следующим образом. Ящик устанавливался горизонтально, внутрь ящика вставлялось съёмное днище из исследуемого материала, на которое сверху насыпались ферментированные ТОУ. Затем при помощи ходового винта производился медленный наклон ящика. При достижении определенного угла наклона ящика удобрения приходили в движение по днищу. При осыпании 90 - 100 % исследуемого материала значение данного угла фиксировалось как угол трения fcp. Опыты проводились в трехкратной повторности.
Коэффициенты трения скольжения ферментированных твердых органических удобрений и коэффициенты внутреннего трения определялись на горизонтально расположенной поверхности трения при помощи установки, изображённой на рис. 3.3 и 3.4. Установка состоит из желоба 1 и рамки 4, которая опорными катками опирается на направляющие 2 и соединена с грузовой чашкой 6 тросом 10, перекинутым через блок 5. Снизу под рамкой установлена съёмная неподвижная пластина 7 из исследуемого материала с зазором от рамки 0,5 - 2 мм. Ферментированные ТОУ в рамке 4 прижимаются к пластине 7 при помощи грузовой пластины 8 с грузом 9. Эксперименты проводились следующим образом. В рамку засыпали исследуемые ТОУ, на них устанавливали пластину с грузом. Массу груза подбирали таким образом, чтобы, в соответствии с рекомендациями [157], удельное давление составляло 5 г/см2. Затем постепенно заполняли грузовую чашу песком до тех пор, пока рамка не начинала двигаться.
Методика экспериментальных исследований по определениюоптимальных параметров сепарирующего устройства
Первоначально было выбрано свыше двадцати "подозреваемых" факторов, которые характеризовали конструктивно-режимные параметры экспериментального сепарирующего устройства, технологические условия протекания процесса и физико-механические свойства обрабатываемого материала. Однако при экспериментальных исследованиях сложно оценить степень влияния всех выбранных факторов и их взаимодействий на критерий оптимизации, так как для этого необходимо провести нереально большой объём исследований, что не всегда оправдано. Поэтому на основании априорной информации были выделены наиболее существенные факторы. Причем некоторые из них, исходя из конкретных задач исследований, в процессе эксперимента не изменялись и были закреплены на постоянных уровнях.
На работу сепарирующего устройства большое влияние оказывает влажность обрабатываемого материала. Наиболее оптимальные для проведения эксперимента границы влажности ферментированного навоза КРС составили 45-50%. Как показали проведённые исследования физико-механических свойств и анализ литературных данных [127] при такой влажности навоз имеет хорошую сыпучесть, что обеспечивает надежность процесса сепарации. При влажности ферментированного навоза более 50% наблюдается повышение внутренней связности частиц, что влечет за собой забивание сепарирующей поверхности (сита нижнего яруса). При снижении влажности навоза наблюдается резкое возрастание удельных разрушающих усилий, вследствие чего значительная часть слежавшихся комков навоза не разбивается при ударе о колосники и попадает в сход, что также снижает эффективность работы сепарирующего устройства.
Размеры отверстий сетки нижнего яруса для сепарации ферментированного навоза были приняты 10X10 мм. Уменьшение размеров неизбежно приведет к неоправданному снижению производительности грохота, в противном случае существенная часть обрабатываемого материала попадет в сходовую фракцию. Увеличение размеров также ограничено технологическими требованиями: чем меньше размеры частиц субстрата, тем интенсивнее процесс переработки.
Исходя из анализа литературных данных и результатов предварительных исследований была выбрана оптимальная длина грохота Lom- = 2м. В процессе эксперимента длина просеивающей поверхности нижнего яруса грохота изменялась следующим образом: на сито закреплялась накладка (лист жести), которую можно устанавливать так, что активная начальная часть сетки оставалась открытой, а последующая представляла собой сплошную направляющую поверхность. Зависимость эффективности работы сепарирующего устройства от длины просеивающей поверхности представлена на рис. 4.4. Анализ зависимости показывает, что эффективность процесса возрастает сравнительно быстро при увеличении длины сепарирующей поверхности до определённого предела (2 м), а затем прирост эффективности практически прекращается, что вполне объяснимо, т.к. на оставшейся части поверхности процесс разделения практически прекращается и она работает уже в режиме вибротранспортера сходовой фракции. Верхний ярус грохота для выбора длины лимитирующим фактором не является, так как наблюдения показали, что основная часть
Угол заострения колосников составил 30. Из результатов " исследований очевидно, что величина удельной нагрузки, необходимой для разрушения комков возрастает пропорционально углу заострения. Уменьшение угла заострения менее 30 ограничено прочностными характеристиками колосников, т.е. при этом высока вероятность деформации (смятия) режущей кромки колосников за счет удара о нее тяжелых твердых примесей (камней, металла). По аналогии с амплитудой колебаний грохотов для сепарации почвы у лукоуборочных и картофелеуборочных комбайнов, амплитуда колебаний грохота г - 0,025JW была оставлена без изменения, т.к. ферментированные ТОУ по физико-механическим свойствам мало отличаются от почвы, к тому же изменение амплитуды колебаний потребовало бы значительной конструктивной переделки устройства. Колосники верхнего яруса были расположены с зазором (шириной щели) между ними 40 мм исходя из прочностных характеристик сетки нижнего яруса. Наибольшую опасность для неб представляют удары примесей (металлических, камней) крупных размеров; удары примесей размером менее 40 мм не представляют опасности, с учетом того, что они гасятся как колосниками, так и слоем обрабатываемого материала на сетке. Анализ литературных данных, теоретический анализ работы сепарирующего устройства, а также поисковые опыты позволили выделить такие наиболее значимые переменные факторы, как величина подачи ферментированных ТОУ, угол наклона поверхности грохота к горизонту, частота вращения кривошипа (частота колебаний) и обосновать уровни их варьирования. 1. Величина подачи ферментированных ТОУ - Q, т/ч, оказывает значительное влияние на критерий оптимизации, так как при её увеличении выше оптимальной частицы материала не успевают самосортироваться, происходит «сгруживание» материала, и, как следствие, снижение критерия оптимизации. Снижение же величины подачи приводит к росту удельной энергоёмкости процесса. 2. Угол наклона поверхности грохота к горизонту - ОС, также оказывает существенное влияние на критерий оптимизации. Так, при отклонении угла наклона от оптимального в сторону увеличения происходит быстрый сход материала с грохота, частицы не успевают проходить через отверстия сепарирующей поверхности. При угле наклона меньше оптимального замедляется сход обрабатываемого материала с поверхности, происходит увеличение толщины слоя, перегрузка грохота, что также снижает эффективность его работы. 3. Частота колебаний - Пк, мин1, регламентирует кинематический режим работы грохота, т.е. определяет характер и скорость движения материала относительно поверхности грохота (будет ли происходить подбрасывание частиц или нет, и т.п.) [90, 137, 167]. При необоснованном повышении частоты колебаний частицы, особенно крупные, не успевают западать в отверстия, т.к. имеют большую силу инерции. При частоте колебаний ниже оптимальной наблюдается низкая интенсивность сортировки, т.к. частицы плохо перемещаются по поверхности и медленно самосортируются между собой. .
