CC BY
1
УДК 681.3:631.333.5 DOI 10.24412/2311-6447-2024-1-144-151
Методика исследования физико-механических свойств подстилочного овечьего навоза
On the methodology of studying the physico-mechanical properties of bedding sheep manure
Аспирант Б.Д. Сарбалина (ORCID 0000-0003-3762-8873), Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра технологических процессов и техносферной безопасности, тел. 8(47545)3-88-15) Scherbakov78@yandex. ru
доцент А.С. Ибраев
Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана, высшая школа техники и инженерной защиты ibraevadil2012@mail.ru
Graduate student B.D. Sarbalina Michurinsk State Agrarian University, chair of Technological Processes and Technosphere Safety, tel. 8(47545)3-88-15) Scherbakov78@yandex.ru
Associate Professor A.S. Ibrayev West Kazakhstan Agrarian-Technical University named after Zhangir Khan) Higher School of Engineering and Engineering Protection ibraevadil2012@mail. ru
Аннотация. Технология содержания овец групповым способом в ангарах на глубокой подстилке в настоящее время широко внедряется в сельскохозяйственном производстве. За стойловый период (4 месяца) экскремент наполняется стеблями растительных остатков, которые выполняют функцию арматуры. Связанная подстилка навоза требует больших усилий отрыва порций навоза погрузчиками циклического действия. Для исследования процесса разрушения подстилочного овечьего навоза была разработана и изготовлена экспериментальная установка рабочего органа клиновидной формы для предварительного рыхления навоза глубокой подстилки. Предложена технология уборки и устройство, включающее трехгранный клин для рыхления навоза. Предлагаемое устройство (патент на полезную модель № 215500) деформирует, разрушает, измельчает пласт послестойлового периода в помещении для содержания овец и на выгульных площадках и грузит в транспортное средство для приготовления в дальнейшем качественного удобрения. Приведены методики исследования физико-механических характеристик, влияющих на уборку подстилочного овечьего навоза: определение влажности, плотности, усилий разрыва растительных остатков, коэффициентов внешнего и внутреннего трения, фракционного состава, напряжения сдвига, сжатия, разрыва. Даны описания и принципы работы лабораторных установок, относящихся к экспериментальным исследованиям.
Abstract. The technology of keeping sheep in groups in hangars on deep litter is currently being widely implemented in agricultural production. During the stall period (4 months), the excrement is filled with stems of plant residues, which act as reinforcement. Bound manure bedding requires great effort to tear off portions of manure using cyclic loaders. To study the process of destruction of sheep bedding, an experimental installation of a wedge-shaped working body for preliminary loosening of deep litter manure was developed and manufactured. The article proposes a harvesting technology and a device that includes a triangular wedge for loosening manure. The proposed device (utility model patent No. 215500) deforms, destroys, crushes the formation after the stall period in the premises for keeping sheep and on walking areas and loads it into a vehicle, subsequently for the preparation of high-quality fertilizer. Methods for studying the physical and mechanical characteristics that affect the harvesting of sheep manure are presented: determining moisture, density, breaking forces of plant residues, coefficients of external and internal friction, fractional composition, shear stress, compression, rupture. Descriptions and principles of operation of laboratory installations related to experimental research are given.
Ключевые слова: физико-механические свойства, влажность, плотность, методика исследова-
© Б.Д. Сарбалина, А.С. Ибраев, 2024
ний, фракционный состав, эксперимент, подстилочный навоз
Keywords: physical and mechanical properties, humidity, density, research methodology, fractional composition, experiment, research methodology, litter manure
Овчарня (кошара) является основной производственной структурой овцеводческих ферм и комплексов. В ней, как правило, размещают отары или группы овец: баранов-производителей, баранов-пробников, маток с ягнятами, ремонтное и откормочное поголовье и т. д. Овчарни (баранники) для баранов-производителей имеют вместимость от 50 до 200 голов, для других групп — от 250 до 1 500 голов.
Овец содержат в секциях (в основном на глубокой подстилке) группами: баранов-производителей - по 25 голов, холостых и суягных маток, ремонтный и откормочный молодняк — по 200-250 голов. В овчарнях для ягнят и маток с ягнятами устраивают тепляк с родильным отделением. Выращивание и откорм овец организуют в закрытых помещениях или на открытых площадках.
В зависимости от почвенно-климатических условий в овцеводстве применяют круглогодовую стойловую, стойлово-пастбищную, пастбищно-стойловую и пастбищную системы содержания овец.
Круглогодовая стойловая система распространена в зонах интенсивного земледелия с хорошо развитым полевым кормопроизводством при отсутствии пастбищ. При этой системе овец зимой содержат и кормят в помещениях и на выгульно-кор-мовых площадках, а летом — только на выгульно-кормовых площадках.
Стойлово-пастбищная система применяется в районах с хорошо развитым кормовым кормопроизводством и без зимних пастбищ. Ее используют, как правило, зимой. Она характеризуется преобладанием по продолжительности стойлового периода над пастбищным. При этой системе овец содержат зимой в овчарнях с выгульно -кормовыми площадками, а летом — на пастбище.
Овчарни обычно располагают в виде буквы Г или П, чтобы место загона овец было защищено от ветра. Пол в овчарнях земляной или глинобитный [1]. Овец содержат на несменяемой подстилке, к которой постоянно добавляют свежую солому при расходе 0,2-0,3 кг на 1 голову в сутки. Овцы хорошо переносят холод, поэтому температура в овчарне может колебаться от 5 °С для тонкорунных овец до -3 °С для романовских; влажность не должна превышать 80 %. В ясную безветренную погоду овец выгоняют в базы, где устанавливают кормушки под грубые и сочные корма.
В районах с суровой зимой лучше используются поилки с автоматическим подогревом, установленные в овчарнях. Несменяемая подстилка обеспечивает животных тёплым ложем за счёт биохимических процессов, происходящих в слое навоза. Из всех подстилочных материалов лучшими считают озимую и яровую солому. На голову в сутки требуется в среднем 0,2-0,3 кг соломы. Содержание овец на несменяемой подстилке позволяет исключить ежедневную уборку, погрузку и транспортирование навоза. При этом овцы при своем движении в помещении уплотняют подстилку, добавляются твердые экскременты, моча, жидкие и химические вещества.
На площадке помимо всего перечисленного, что и в помещении влияют природные осадки (снег, дождь). В соответствии с технологией содержания овец при стойловом периоде содержания животных происходит постоянное добавление свежей подстилки (измельченная солома, торф, опилки) в стойло. В результате образуется увеличивающийся по высоте перемешанный слой, который уплотняется и слеживается [1].
Навоз чаще всего убирают весной после выхода овец в поле, поэтому максимальная толщина пласта навоза, которую необходимо разрушать перед удалением из овчарни, находится в пределах 60 см. Используются в основном существующие технологии для уборки навоза, включающий роторные, шнековые, скребковые транспортеры, скреперные установки и бульдозеры, которые не удовлетворяют практическим требованиям. На основании вышеизложенного нами разработана конструкция устройства
для удаления навоза из животноводческого помещения, позволяющая повысить эффективность уборки навоза [2, 8].
Чтобы убрать утрамбованную массу, сначала ее необходимо предварительно разрыхлить предлагаемым устройством, включающим трехгранный клин.
Технологический процесс удаления навоза происходит следующим образом (рис. 1): рабочий орган, представляющий из себя несколько трехгранных клиньев, навешивается на трактор МТЗ (Беларус 1221) тягового класса 2,0 и при движении трактора трехгранные клинья 8 движутся по полу помещения. При этом клинья входят в массу 9, поднимают ее. За счет работы клиньев часть массы поднимается вверх, общая длина соприкасающейся с поверхностью клиньев увеличивается, масса растягивается и разрыхляется. Кроме того, за счет подъема по клину 2, масса 1 ломается и эффект разрыхления увеличивается. За счет движения трактора, разрыхленная масса двигается к шнековому транспортеру 3, через выгрузной шнек 7, который дополнительно разрыхляет навозную массу и подает в транспортное средство 6, установленное за трактором.
Рис. 1. Предлагаемая установка для разрыхления и выгрузки глубокой подстилки из ангара (овчарни): 1 - пласт овечьего навоза; 2 - ворошители конической треугольной формы; 3 -шнеки-питатели; 4 - рама ворошителя-измельчителя; 5 - трактор; 6 - прицеп; 7 - выгрузной шнек
Ворошитель-измельчитель подстилочного овечьего навоза деформирует, разрушает, измельчает пласт навоза и грузит в транспортное средство, которое загружает рыхлый навоз в биореактор для активной аэрации для приготовления высококачественных органических удобрений. В биореакторе навоз насыщается воздухом для интенсификации биопроцесса [3].
Необходимо изучить физико-механические характеристики подстилочного навоза, требующие показателей, влияющих на проектирование машин для работ с навозной массой: влажность, плотность, удельный вес, напряжение на сдвиг, на разрыв, на сжатие, коэффициенты внешнего и внутреннего трения, фракционного состава глубокой подстилки и других. В качестве основных методик использовали: теорию планирования эксперимента, методы физического моделирования. На этой основе были разработаны частные методики лабораторных исследований [4].
Методика экспериментальных исследований разрабатывалась в соответствии с руководящими техническими материалами, в том числе с использованием методов математического планирования многофакторных экспериментов и обработки экспериментальных данных, из анализа теоретических и экспериментальных исследований, проведенных ранее.
Для проведений исследований берется пласт подстилочного навоза размером 1 м2 и разбивается на частицы. Материал является основой для проведения дальнейших исследований (рис. 2).
Рис. 2. Образец навоза глубокой подстилки
Плотность навоза глубокой подстилки определяли следующим образом: вырезали кубики свежего навоза глубокой подстилки на различной глубине, взвешивали на весах образцы, определяли объем образцов. Влажность материала определяли электровлагометром типа ВЗМ-1 № 80110 (рис. 3). Порцию навоза глубокой подстилки весом 50 г помещали в предварительно изготовленные и просушенные пакеты из ротаторной бумаги, затем пакеты с материалами размещали между нагревательными пластинами прибора. В течение 2 мин при температуре 160 °С выпаривали влагу, охлаждали в эксикаторе, затем пакет взвешивали. Влажность вычисляли по формуле
в — в Ж =-'100%,
в - в
где О - масса навески с бумажным пакетом до высушивания, г; Оп - масса навески с пакетом после высушивания, г; В - масса высушенного пакета, г.
Рис. 3. Прибор для определения влажности навоза глубокой подстилки: 1 - порция навоза глубокой подстилки; 2 - нагревательные пластины
Коэффициент внешнего трения Щ в зависимости от удельного давления связанных грузов необходим при проектировании и расчете машин для измельчения и транспортирования навоза. Эти зависимости исследовались по способу прямого сдвига (Б.В. Дерягин) на специально изготовленной установке (рис. 4).
Рис. 4. Схема установки для определения коэффициента внешнего (/) трения в зависимости от удельного давления: 1 - стол; 2 - образец навоза глубокой подстилки; 3 - поверхность трения; 4 - гири; 6 - трос; 7 - ролик;
Ранее проведенные исследования доказывают, что этот метод несовершенный, так как происходит зацепление и сжатие материалов, а следовательно, и деформация. При определении коэффициента трения с помощью установки, показанной на рис. 3, 4, процесс деформации исследуемого материала исключается, так как поверхность трения (стальная, резиновая, бетонная, деревянная, хлопчатобумажная и прорезиненная) скользит по поверхности образца навоза [5, 6]. Зависимость между нормальным давлением и сдвигающим усилием Т, Н, выражается уравнением:
Т= СБ,
где N - сила нормального давления на единицу площади, Н; Б - действительная площадь трения, м2; С - величина сцепления, то есть сила сцепления, приходящаяся на единицу площади, по которой происходит сдвиг, Па; / - коэффициент внешнего трения навоза о ленту.
Коэффициент трения покоя по поверхностям определяли через tg угла сползания навоза с наклонной плоскости. На изготовленной наклонной плоскости (рис. 5) закрепляли поверхность трения, затем засыпали различной высоты горки груза и при подъеме последней фиксировали угломером угол трения.
Рис. 5. Установка для определения коэффициентов внешнего трения: 1 - наклонная плоскость; 2 - навоз глубокой подстилки; 3 - рама; 4 - рукоятка подъёма наклонной плоскости
Исследование фракционного состава овечьего навоза. По данным литературных источников [6, 7], оптимальная длина частиц соломы для приготовления компостных смесей составляет 50-100 мм. Навоз глубокой подстилки не отвечает вышеуказанным требованиям. Для изучения фракционного состава навоза из его пласта отбирали пробу 300 кг. Из 300 отбирались 30 кг, затем эту смесь тонким слоем от 0 до 50 мм, раскладывали на горизонтальную площадку для естественной сушки. Из этой порции отбирали частицы растительных остатков и производили обмер, после чего полученные образцы разделяли на фракции в классификаторе (рис. 6).
Рис. 6. Классификатор соломонавозной смеси
Правильный отбор проб после измельчения обеспечивался таким их выбором, чтобы они как можно точнее и объективнее отражали все разнообразие изучаемого признака. При изучении физико-механических свойств растений точность опыта считается достаточной, если ошибка среднеарифметического показателя не
148
превышает +4 %. Распределенные по классам соломенные частицы взвешивали и вычисляли их процентное содержание от общей массы пробы. Средневзвешенную длину частиц соломы до и после измельчения определяи по формуле
XI. ■ т.
г г
Ь = 1 = ■
ср ср
Е т
где ЬФ. 1
ср средневзвешенный размер частиц соломы до и после измельчения; 1. -
средний размер частиц соломы в г-м классе, г; т1 - масса частиц в г-м классе, г; Е
- масса пробы, г.
Показатель степени измельчения определи по формуле
Ь
Л = ЬСР.
- 1ср
Исследование соломистых включений, входящих в навозную смесь, на разрыв. При содержании животных на глубокой подстилке естественные выделения животных попадают в подстилку, образуя подстилочный навоз. При этом подстилочный навоз утаптывается животными. Из него удаляется воздух, содержащий кислород, и все аэробные процессы прекращаются. А соломистые включения, содержащиеся в навозе, как бы консервируются и не разлагаются [2, 3].
Исследование соломистых включений, входящих в соломонавозную смесь, на разрыв проводили на разрывной машине марки ИР5047-50-03. Определение прочности на растяжение проводили вдоль волокон на разрывной машине по программе «растяжение до разрыва».
Механические свойства материалов, зависящие от большого числа факторов, могут быть определены только в результате статических или динамических испытаний образцов материалов. Статическое нагружение позволяет избежать влияния сил инерции. При статических испытаниях образец, форма и размеры которого регламентированы стандартами, плавно нагружается со скоростью деформации не более 20мм/мин вплоть до разрушения - разрыва. Статические испытания являются основными, по которым определяются механические характеристики материалов: характеристики прочности и пластичности [8].
Образец материала (согласно стандартам) может быть плоским, толщиной от 0,5 мм и более. Расчетная длина образца 1о отмечается рисками или кернением. Использовали короткие и длинные образцы навоза. Закрепляли в захватах испытательной машины с утолщениями, которые сопрягаются с рабочей частью. Образцы подвергали растяжению до разрушения [9]. Зависимость удлинения образца Д1 от величины растягивающей силы F автоматически фиксировались диаграммным аппаратом испытательной машины в виде графика. Полученную запись обрабатывали: определяли начало координат диаграммы растяжения F = f (А£), отмечали характерные точки диаграммы, по которым вычисляли механические характеристики материала.
Начальную длину 1о, силу F пересчитывали в механическое напряжение
а удлинение Д1 - в линейную деформацию:
а = Г , (*)
я0
м
Получаемые по формуле (*) значения напряжений а оказываются несколько меньше действительных значений Од, так как действующую силу относят к начальной площади Ао поперечного сечения образца, не учитывая уменьшения сечения при растяжении.
При сжатии образца навоза силой Е (рис. 7) в поперечном сечении (А) образца будет действовать нормальное напряжения о, а по произвольному наклонному сечению (Аа) - полное напряжение Р. Из равновесия элемента следует, что
Е = оА = РАа,
где А - площадь поперечного сечения; Аа - площадь наклонной площадки. Таким образом, полное напряжение на наклонной площадке:
Р =-А= бсоза.
Аа
Вектор полных напряжений Р на наклонной площадке может быть разложен на две составляющие: нормальное Оа и касательное Та напряжения (рис. 7).
Рис;. 7. Напряжения на наклонной площадке сжатого стержня
Из последнего уравнения следует, что при сжатии (растяжении) касательное напряжение Та, обращаясь в ноль в продольных и поперечных сечениях, имеет максимальное значение на площадках, наклоненных под углом 45° к оси стержня.
ба=Рcos2а=бcos2а;
Та=Psinа=бsinаcosа=0,5бsin2а. _ 6 ^тах = 2.
Это обстоятельство объясняет особенности разрушения хрупких материалов при сжатии.
На основании анализов полученных данных можно предложить теоретические зависимости взаимодействия рабочего органа (клина) с навозом и работоспособность конструкции разрыхлителя и выгрузки подстилочного навоза из овчарни.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мурусидзе, Д. Н. Технологии производства продукции животноводства: учеб. пособие / Д. Н. Мурусидзе, Р. Ф. Филонов, В. Н. Легеза. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 417 с. - Текст: непосредственный.
2. Хмыров, В.Д. Технология переработки подстилочного навоза / В. Д. Хмыров, Л.Г. Узеринов, В.Б. Куденко - Текст: непосредственный // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 5. - С.11.
3. Хмыров, В.Д. Устройство для выгрузки навоза глубокой подстилки / В.Д. Хмыров, В.Б. Куденко, Б.С. Труфанов. - Текст: непосредственный // Сельский механизатор. - 2008. - № 11. - С. 34.
4. Хмыров, В.Д. Совершенствование средств механизации уборки навоза глубокой подстилки: монография / В.Д. Хмыров, В.Б. Куденко. - Мичуринск-наукоград РФ, 2011. - 125 с. - Текст: непосредственный.
5. Хмыров, В.Д. Теоретическое обоснование питателя - разрушителя навоза глубокой подстилки / В.Д. Хмыров, В.Б. Куденко, А.А. Горелов, Б.С. Труфанов. -Текст: непосредственный // Вестник МичГАУ. - 2011. - № 1. - С.185-188.
6. Хмыров, В.Д. Устройство для выгрузки навоза глубокой подстилки / В.Д. Хмыров, В.Б. Куденко, Б.С. Труфанов. - Текст: непосредственный // Сельский механизатор. - 2008. - № 11. - С. 34.
7. Хмыров, В.Д. Технология производства и уборки подстилочного навоза / В.Д. Хмыров, В.Б. Куденко, Б.С. Труфанов. - Текст: непосредственный // Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства: матер. Междунар. науч.-практич. конф. - Воронеж, 2007. - Ч. 1. - С. 160-161.
8. Пат. 215500 РФ: МПК СОS F 3/06 Ворошитель-измельчитель погрузчик подстилочного овечьего навоза:- № 2022110718/04; заявл. 19.04.2022; опубл. 15.12.2022, Бюл. № 3 / Хмыров В.Д., Сарбалина Б.Д., Труфанов Б.С., Федорова К.В.; патентообладатель МичГАУ. - Текст: непосредственный.
9. Афонин, О.Д. Лабораторный практикум по прикладной механике : учебное пособие /О. Д. Афонин, А. Н. Луцко, М. Д. Телепнев, О. В. Сташевская; под ред. Н. А. Марцулевича. - изд. 2-е, перераб. и доп.- Санкт-Петербург : СПбГТИ (ТУ), 2011. - 144 с. - Текст: непосредственный.
REFERENCES
1. Murusidze, D. N. Tehnologii proizvodstva produkcii zhivotnovodstva: ucheb. posobie dlja SPO / D. N. Murusidze, R. F. Filonov, V. N. Legeza. — 2-e izd., ispr. i dop. — Moskva: Izdatel'stvo Jurajt, 2019. — 417 s.
2. Hmyrov, V.D. Tehnologija pererabotki podstilochnogo navoza / V.D Hmyrov, L.G. Uzerinov, V.B. Kudenko // Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva. - 2006. -№ 5. - S.11.
3. Hmyrov, V.D. Ustrojstvo dlja vygruzki navoza glubokoj podstilki / V.D. Hmyrov, V.B. Kudenko, B.S. Trufanov // Sel'skij mehanizator. - 2008. - № 11. - S. 34.
4. Hmyrov, V.D. Sovershenstvovanie sredstv mehanizacii uborki navoza glubokoj podstilki: monografija / V.D. Hmyrov, V.B. Kudenko. - Michurinsk - naukograd RF, 2011. - 125 s.
5. Hmyrov, V.D. Teoreticheskoe obosnovanie pitatelja - razrushitelja navoza glubokoj podstilki V.D. Hmyrov, V.B. Kudenko, A.A. Gorelov, B.S. Trufanov // Vestnik MichGAU. - 2011. - № 1. - S.185-188.
6. Hmyrov, V.D. Ustrojstvo dlja vygruzki navoza glubokoj podstilki / V.D. Hmyrov, V.B. Kudenko, B.S. Trufanov // Sel'skij mehanizator. - 2008g. - № 11. - S. 34.
7. Hmyrov, V.D. Tehnologija proizvodstva i uborki podstilochnogo navoza / V.D. Hmyrov, V.B. Kudenko, B.S. Trufanov // Mirovoj opyt i perspektivy razvitija sel'skogo hozjajstva: materialy mezhd. nauch. - prakt. konf., posvjashh. 95-letiju Voronezh. gos. agrar. un-ta (23-24 okt. 2007g.). - Voronezh, 2007. - Ch. 1. - S. 160-161.
8. Voroshitel'-izmel'chitel' pogruzchik podstilochnogo ovech'ego navoza: pat.215500 Ros. Federacija: MPK SOS F 3/06 / Hmyrov V.D., Sarbalina B.D., Trufanov B.S., Fedorova K.V.; patentoobladatel' MichGAU. - № 2022110718/04; zajavl. 19.04.2022; opubl. 15.12.2022, Bjul. № 35.
9. Afonin O. D. Laboratornyj praktikum po prikladnoj mehanike: uchebnoe posobie / O. D. Afonin, A. N. Lucko, M. D. Telepnev, O. V. Stashevskaja; pod red. N. A. Marcule-vicha. - Izd. 2-e, pererab. i dop. - SPb.: SPbGTI (TU), 2011. - 144 s.
