CC BY
10
11. Kartechina N.V., Butenko A.I, Brizhanskii L.V., Pchelintseva N.V., Bobrovich L.V. Statisticheskaya otsenka dinamiki rosta i plodonosheniya yabloni [Statistical estimation of apple tree growth and fruiting dynamics]. VestnikMichurinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018. No. 2: 31-36 (In Russian)
УДК 631/635
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДОЗИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ МАШИНЫ ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ КОМПОСТОВ
А.М. Захаров, канд. техн. наук; Д.Ю. Иванов
Е.А. Мурзаев;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Развитие агропромышленного комплекса, в том числе животноводства, нацелено на производство требуемого количества мясной и молочной продукции. Однако это влечёт за собой и поступление большого количества продуктов жизнедеятельности животных. Современные методы переработки навоза и помета обеспечивают получение высококонцентрированных удобрений, которые являются основным средством повышения плодородия почвы. Авторами выполнен аналитический обзор рынка сельскохозяйственных машин для внесения твёрдых органических удобрений и представлена их классификация по способу внесения, по типу разбрасывающего механизма и по механизму подачи к разбрасывателю. Патентный поиск и анализ литературных источников показали, что машины, способные обеспечить требуемую дозу при внесении концентрированных твёрдых органических удобрений, слабо представлены на современном рынке сельскохозяйственной техники. Разработана конструктивная схема комбинированного агрегата для дифференцированного внесения концентрированных твёрдых органических удобрений. Были проведены расчеты максимальной подачи удобрения дозирующей системой машины к направляющим лоткам, часовой производительности шнека, рабочей площади поперечного сечения шнека, диаметра вала шнека, шага винта и максимальной частоты вращения шнека. В результате были установлены следующие требуемые конструктивные параметры рабочего органа дозирующей системы: диаметр винта шнека 20 см, исходя из которого диаметр вала шнека составил 4 см, рабочая площадь поперечного сечения шнека 302 см , и шаг винта - 20 см. С целью подтверждения расчётных данных необходима разработка дозирующей системы в качестве стенда для проведения полунатурного моделирования процесса дозирования ферментированных компостов.
Ключевые слова: дозирующая система, ферментированный компост, внесение, конструктивные параметры.
Для цитирования: Захаров А.М., Мурзаев Е.А., Иванов Д.Ю. Обоснование конструктивных параметров дозирующей системы машины для внесения компостов // АгроЭкоИнженерия. 2022. № 2(111). С.73-83
JUSTIFICATION OF DESIGN PARAMETERS OF A DOSING SYSTEM FOR A COMPOST
APPLICATION MACHINE
A.M. Zakharov, Cand. Sc. (Engineering), D.Yu. Ivanov
E.A. Murzaev,
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
The advancement of the agro-industrial complex, including livestock husbandry, aims at producing the required amount of meat and dairy products. Yet, this also entails accumulation of a bulk of animal waste. Modern methods of animal and poultry manure processing provide highly concentrated fertilisers, which are the main tools to improve soil fertility. The authors reviewed the market of agricultural machines for field application of solid organic fertilisers and ranged them by the application technique, the type of spreading mechanism and the feed mechanism to the spreader. From the patent search and analysis of literary, the machines, which could ensure the required spreading dose of concentrated solid organic fertilisers, are thinly represented on the modern market of agricultural machinery. A design scheme of a combined unit for differentiated application of concentrated solid organic fertilisers was developed. The maximum fertilizer supply by the dosing system of the machine to the guide trays, the hourly productivity of the screw, the working area of the screw cross section, the screw shaft diameter, the screw pitch and the maximum screw speed were calculated. The calculation results were the following required design parameters of the working body of the dosing system: the screw diameter of 20 cm, based on which the screw shaft diameter was 4 cm; the screw working cross-sectional area of 302 cm , and the screw pitch of 20 cm. To verify the calculated data, a dosing system as a stand for semi-natural simulation of the dosing process of fermented composts needs to be designed.
Key words: dosing system, fermented compost, soil application, design parameters
For citation: Zakharov A.M., Murzaev E.A., Ivanov D. Yu. Justification of design parameters of a dosing system for a compost application machine. AgroEkoInzheneriya. 2022. No. 2(111): 7383 (In Russian)
Введение
В Северо-Западном регионе Российской Федерации активно развивается агропромышленный комплекс, в частности животноводство и птицеводство. В связи с этим возрастает количество вырабатываемого предприятиями навоза и помета, что приводит к проблемам их утилизации. Данный продукт является ценным органическим веществом,
использование которого в качестве удобрений позволяет повышать плодородие почв. Однако если навоз и помет не применять в качестве органического удобрения, они теряют свои свойства и становятся источником загрязнения окружающей среды [1].
Основной проблемой применения отходов жизнедеятельности животных и птиц в сельскохозяйственном производстве, как удобрения, являются длительные сроки обеззараживания от патогенной микрофлоры и семян сорных растений [2]. Для уменьшения времени обеззараживания навоза и помета применяется компостирование в биореакторах, которое заключается в принудительном насыщении массы кислородом, что ускоряет разогрев приготавливаемой смеси и протекании биоферментации. Данный способ обеззараживания не только ускоряет приготовление удобрения, а также сокращает потери органического вещества и питательных элементов. В результате биоферментации в биореакторах получаются ферментированные компосты с высоким содержанием питательных веществ. Например, в компосте «Биагум», произведенном из куриного помета в биореакторе, разработанным в НИИ ИАЭП-филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, содержание азота находится на уровне 2,0 %.
В связи с получением высокопитательных ферментированных компостов возникает вопрос о средстве для их внесения. Особо значимо это для производства органической продукции, по причине того, что по ГОСТ 33980-2016 «Продукция органического производства. Правила производства, переработки, маркировки и реализации» в год на один гектар сельхозугодий запрещается вносить более 170 кг азота, что соответствует дозе внесения Qmzx = 8,5 т/га для удобрений с содержанием азота 2%.
В связи с тем, что в Российской Федерации все большую популярность обретает органическое производство продукции растениеводства [3,4], которое подразумевает отказ от использования минеральных удобрений, фермерам необходимо использовать твердые органические удобрения (ТОУ). Поскольку использование ТОУ обременяется высокими экономическими издержками и жесткими агротребованиями к их эффективному использованию, все больше находит место применение концентрированных органических удобрений (КОУ), к которым относятся и ферментированные компосты, внесение которых необходимо с низкой дозировкой.
Машины, способные выдержать необходимую дозировку ферментированных компостов без потери качества выполняемых работ, в настоящее время слабо представлены на рынке. Поэтому необходима разработка машины для внесения ферментированных компостов с дозирующей системой, способной к их внесению с малыми дозами.
В связи с вышесказанным целью исследования является разработка и обоснование конструктивных параметров дозирующей системы машины для внесения ферментированных компостов.
Материалы и методы
В настоящее время на рынке сельскохозяйственной техники существует несколько типов машин для внесения ТОУ. Наиболее распространены машины, которые осуществляют внесение ТОУ, с вертикальными или горизонтальными разбрасывающими механизмами.
Примерами машин с горизонтальным размещением разбрасывающего рабочего органа являются МТТ-9, ПРТ-7А [5], (рис. 1) и др. Привод разбрасывающего рабочего органа 2 осуществляется от вала отбора мощности (ВОМ). Подача ТОУ к рабочему органу осуществляется цепочно-планчатым транспортером 3, расположенным на дне кузова 1.
75
Рис. 1. Разбрасыватель ПРТ-7А 1 - кузов; 2 - разбрасывающий рабочий орган; 3 - цепочно-планчатый транспортер.
Разновидностью вышеуказанного типа разбрасывающего механизма является комбинированный разбрасывающий рабочий орган, который состоит из измельчающих горизонтальных барабанов и разбрасывающих дисков (МТУ-18-1, PTU-18D).
Машины с вертикальным расположением разбрасывающих рабочих органов более распространены на современном рынке сельскохозяйственной техники, поскольку позволяются вносить ТОУ на большую ширину. Также их конструкцией, как и у машин с горизонтальными рабочими органами, предусмотрено снятие с кузова 3 разбрасывающего механизма 2, что позволяет использовать машину для транспортировки грузов. Примерами машин с данным видом разбрасывающего механизма являются ПСП-20НР, МТУ-18, PTU-20B, Samson SP 15 [6] (рис. 2), N277 CERBERUS.
Рис. 2. Разбрасыватель Samson SP 15 1 - цепочно-планчатый транспортер; 2 - разбрасывающий механизм; 3 - кузов;
4 - надставной борт кузова.
Компания Kuhn Group выпускает машины SL 100 SERIES [7] (рис. 3) и SLC 100 SERIES с принципиально другой схемой работы. Механизм данных машин выполнен в виде барабана с закреплёнными на нем восемнадцатью специальными молотками 4, которые производят разбрасывание в левую сторону по ходу движения МТА. Данная конструкция
76
отличается от аналогов не только разбрасывающим механизмом, но и механизмом подачи к разбрасывателю, который состоит из двух шнеков 2 и 3, расположенных на разных уровнях в кузове 1. Они выполняют функции, как измельчения, так и транспортировки.
Рис. 3. Схема движения ТОУ в разбрасывателе Kuhn SL 100 SERIES
1 - кузов; 2 - верхний шнековый транспортер; 3 - нижний шнековый транспортер; 4 - молотковый разбрасывающий рабочий орган.
Использование выше представленных машин возможно только при условии поверхностного внесения ТОУ, они не имеют возможности корректировать дозу вносимых удобрений во время работы, а вносимые минимальные дозы, на таких агрегатах, превышают необходимые для внесения ферментированных компостов в несколько раз.
Другим типом машин, для внесения ТОУ является DEA [8] (рис. 4) от испанской фирмы Id-David.
Рис. 4. Разбрасыватель DEA 1 - кузов; 2 - скребковый транспортер; 3 - измельчающий механизм; 4 - адаптер для внутрипочвенного внесения.
Транспортно-дозирующая система агрегата представляет собой скребковый транспортер 2, к которому монтируются адаптеры для выполнения внутрипочвенного внесения 4, разбрасывания ТОУ, подкормки растений и других операций, связанных с внесением органических удобрений. По техническим характеристикам, представленная машина обеспечит требования для внесения ферментированных компостов, но
использование такого агрегата в условиях Северо-западного региона РФ осложняется рядом факторов:
- тяжелые почвенные условия;
- высокая каменистость почв;
- повышенная влажность почвы в осенний или весенний периоды;
- высокие затраты на запасные части и обслуживание.
Проведенный патентный поиск и анализ литературных источников позволяет разработать классификацию машин для внесения ТОУ (рис. 5).
Рис. 5. Классификация машин для внесения ТОУ Результаты и обсуждение
С учётом вышесказанного, в ИАЭП разработана конструкция комбинированной машины для дифференцированного внесения ферментированных компостов, конструктивная схема которой представлена на рисунке 6.
8
Рис. 6. Конструктивная схема комбинированного агрегата для дифференцированного
внесения ферментированных компостов 1 - опорные колеса; 2 - механизм регулировки; 3 - рама; 4 - продольные профили; 5 -поперечные профили; 6 - пружинные стойки со стрельчатыми лапами; 7 - бункер;8 -борта; 9 - передняя стенка; 10 - дно; 11 - направляющие лотки; 12 - валы шнеков; 13 -
передача;
14 - привод; 15 - выгрузные окна; 16 - блок управления; 17 - глубокорыхлительные стойки;18 - оборотные лапы; 19 - окучники; 20 - механизм навески.
Опорными колёсами 1, через механизм 2, регулируют глубину хода пружинных стоек со стрельчатыми лапами 6. В связи с тем, что на обрабатываемом поле имеются участки с разной структурой почвы и количеством органического вещества на них, это требует дифференцирования дозы внесения ферментированных компостов. Для этого составляется карта-задание, которая вносится в блок управления 16. Блок управления 16 в зависимости от требований карты-задания на конкретном участке задаёт определенную частоту вращения каждому из двух шнеков 12 через привод 14 и передачу 13. Глубокорыхлительные стойки 17 с оборотными лапами 18 производят глубокую обработку почвы, при этом устраняя внутрипочвенное переуплотнение, в том числе, созданное ходовыми системами МТА. Окучники 19 заделывают внесённые ферментированные компосты, при этом создавая профилированную поверхность поля.
Максимальная подача удобрения цтах, кг/ч, дозирующей системой машины к направляющим лоткам определяется по формуле исходя из скорости движения трактора, максимальной допустимой дозы внесения, а также ширины захвата:
дтх = 3600 • V • • В, (1)
где V - скорость трактора, м/с;
Отах - максимальная доза внесения удобрения, кг/м ;
В - ширина захвата, м.
Расчет часовой производительности шнека проводится по формуле [9]:
Q = 0,06 • S • n • p• p-K-q, (2)
где 8р - рабочая площадь поперечного сечения шнека, см2; п - частота вращения шнека, мин-1; р - шаг винта, см; р - плотность удобрения, т/м3; К - коэффициент заполнения (К = 0,3.. .0,45); П - КПД шнека (0,6.0,98). Рабочая площадь поперечного сечения шнека определяется по формуле площади круга, как разница площадей сечений винта и вала шнека:
е _я- Б2 я- й2
£р = 1 Г", (3)
где Б - диаметр винта шнека, см;
ё - диаметр вала шнека, см. Диаметр вала шнека для предварительного расчета задается исходя из соотношения
[8]:
й = 0,1...0,35Б. (4)
Шаг винта задается исходя из соотношения [10]:
Р = 1... 1,25. (5)
Б
Максимальная частота вращения шнека определяется исходя из формулы 2:
Итж =-2-. (6)
0,06 - £ - р - р - к
По формуле 1 определяется максимальная подача удобрения к направляющим лоткам Чтах = 8139,6 кг/ч, на основании которой задаемся максимальной подачей одного рабочего органа Q = 4069,8 кг/ч.
Зададимся диаметром винта шнека Б = 20 см, исходя из которого диаметр вала шнека, по соотношению 4, принимаем как ё = 0,2Б и равняется 4 см, следовательно, рабочая площадь поперечного сечения шнека, определяемая по формуле 3, 8р = 302 см2. Шаг винта определяется по соотношению 5 и составляет 20 см. Плотность удобрения р = 0,5 т/м .
Тогда максимальная частота вращения шнека определяется по формуле 6:
_4069,8__-1
птях =-= 57,3 мин .
0,06 - 302 - 20 - 0,5 - 0,4 - 0,98
Выводы
Все большую популярность при производстве органической продукции растениеводства набирает использование в качестве органического удобрения ферментированные компосты. Такой вид удобрений при производстве продукции органического земледелия необходимо вносить с низкой дозировкой (до 8,5 т/га).
Проведённый обзор рынка машин для внесения твёрдых органических удобрений, патентный поиск и анализ литературных источников позволяют сделать вывод о том, что в настоящее время отечественные производители техники не могут удовлетворить растущий спрос на машины для внесения ферментированных компостов. В тоже время зарубежные производители могут предложить подходящую конструкцию, но её использование обременяется рядом недостатков. В связи с этим необходима разработка отечественной машины для внесения ферментированных компостов.
В ИАЭП разработана конструкция комбинированной машины для дифференцированного внесения ферментированных компостов, которая способна удовлетворить вышеперечисленные условия использования ферментированных компостов.
Был проведен расчет конструктивных параметров дозирующей системы машины. С целью подтверждения расчётных данных, представленных в статье необходима разработка дозирующей системы в качестве стенда для проведения полунатурного моделирования процесса дозирования ферментированных компостов.
1. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В. Анализ образования и накопления животноводческих отходов в Ленинградской области // Экологические проблемы использования органических удобрений в земледелии: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Владимир: ВНИИОУ. 2015. С. 310-317.
2. Евдокимова Н.А., Захаров А.М., Максимов Д.А. и др. Технологии органического производства сельскохозяйственной продукции растениеводства в условиях СевероЗападного региона Российской Федерации. Материалы международного проекта «Экологически дружественное умное органическое сельское хозяйство - EFSOA». СПб: ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2021. 140 с.
3. Maksimov D.A., Minin V.B., Ustroev A.A., Murzaev E.A., Melnikov S.P. The effect of biologized methods of potato cultivation in organic farming on its yield // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. Proceedings of AgroCON-2019 conference, Kurgan 18-19 April, 2019. IOP Publishing Ltd. 2019. Vol. 341, ID: 012088.
4. Устроев А.А., Калинин А.Б., Мурзаев Е.А. Оценка эффективности технологических операций в процессах основной обработки почвы и ухода за посадками в органической технологии возделывания картофеля // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 96.
5. Машина для внесения твердых органических удобрений ПРТ-7А [Электронный
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
С. 66-73.
ресурс]
Режим
доступа:
(Дата
6. Навозоразбрасыватель SP 15 (Samson-Agro A/S, Дания) [Электронный ресурс] Режим доступа: https://samson-agro.ru/products/muck-spreaders/sp-seriia/sp-15/ (Дата обращения 26.04.2022).
7. Навозоразбрасыватели серии SL 100 SERIES (Kuhn Group, США) [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.kuhn-usa.com/livestock/manure-spreaders/side-discharge-manure-spreaders/sl-100-series (Дата обращения 26.04.2022).
8. Высококлиренсный разбрасыватель для внесения навоза DEA (Industrias David S.L.U., Испания) [Электронный ресурс] Режим доступа: https://id-david.com/producto/dea/ (Дата обращения 26.04.2022).
9. Геррман Х. Шнековые машины в технологии/ пер. с нем. под ред. Л.М. Фридмана. Л.: «Химия», 1975. 232 с.
10. Сурашов Н. Т., Гудович М. И., Мукиева Л. Д. Расчет винтовых конвейеров. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Подъёмно-транспортные машины» для специальности 5В071300 «Транспорт, транспортная техника и технологии». Алматы: КазНТУ им. К. И. Сатпаева. 2014. 32 с.
REFERENCES
1. Bryukhanov A.Yu., Shalavina E.V. Analiz obrazovaniya i nakopleniya zhivotnovodcheskikh otkhodov v Leningradskoi oblasti [Analysis of formation and accumulation of livestock waste in the Leningrad Region]. Ekologicheskie problemy ispol'zovaniya organicheskikh udobrenii v zemledelii [Ecological problems of the use of organic fertilizers in agriculture]. Proc. All-Russia Sci. Prac. Conf. with Int. Participants. Vladimir: VNIIOU. 2015: 310-317 (In Russian)
2. Evdokimova N.A., Zakharov A.M., Maksimov D.A. et al. Tekhnologii organicheskogo proizvodstva sel'skokhozyaistvennoi produktsii rastenievodstva v usloviyakh Severo-Zapadnogo regiona Rossiiskoi Federatsii [Technologies of organic production of farm crops under conditions of the North-West Region of the Russian Federation]. Materials of International Project "Environmentally Friendly Smart Organic Agriculture- EFSOA", Saint Petersburg: IEEP - branch of FSAC VIM, 2021. 140 p. (In Russian)
3. Maksimov D.A., Minin V.B., Ustroev A.A., Murzaev E.A., Melnikov S.P. The effect of biologized methods of potato cultivation in organic farming on its yield // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. Proceedings of AgroC0N-2019 conference, Kurgan 18-19 April, 2019. IOP Publishing Ltd. 2019. Vol. 341, ID: 012088. (In English)
4. Ustroev A.A., Kalinin A.B., Murzaev E.A. Otsenka effektivnosti tekhnologicheskikh operatsii v protsessakh osnovnoi obrabotki pochvy i ukhoda za posadkami v organicheskoi tekhnologii vozdelyvaniya kartofelya [Efficiency assessment of technological operations of primary soil tillage and crop care in organic potato cultivation]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 96: 6673 (In Russian)
5. Mashina dlya vneseniya tverdykh organicheskikh udobrenii PRT-7A [ Machine for application of solid organic fertilisers PRT-7A]. Available at: https://bobruiskagromach.com/catalog/technique_for_application_of_fertilizers/prt_7a/ (accessed 26.04.2022).
6. Muck spreader SP 15 (Samson-Agro A/S, Denmark) Available at: https://samson-agro.ru/products/muck-spreaders/sp-seriia/sp-15/ (accessed 26.04.2022).
7. Side discharge manure spreaders of SL 100 SERIES (Kuhn Group, USA) Available at: https://www.kuhn-usa.com/livestock/manure-spreaders/side-discharge-manure-spreaders/sl-100-series (accessed 26.04.2022).
8. Over-the-row spreader for manure application DEA (Industrias David S.L.U., Spain) Available at: https://id-david.com/producto/dea/ (accessed 26.04.2022).
9. Herrmann H. Schneckenmaschinen in der Verfahrenstechnik. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 1972. 179 p. DOI https://doi.org/10.1007/978-3-642-51085-4 (Russ. Ed. Gerrman Kh. Shnekovye mashiny v tekhnologii/ per. s nem. pod red. L.M. Fridmana. Leningrad: Khimiya Publ. 1975. 232 p.
10. Surashov N. T., Gudovich M. I., Mukieva L. D. Raschet vintovykh konveierov. Metodicheskie ukazaniya [Calculation of screw conveyors. Guidelines]. Almaty: KazNTU named after K. I. Satpaev. 2014. 32 p. (In Russian)
УДК 631.316.272
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ
Джабборов Н.И., д-р техн. наук, Шамонин В.И., канд. техн. наук,
Добринов А.В., канд. техн. наук, Семенова Г.А, канд. техн. наук,
Сергеев А.В., канд. техн. наук, Чугунов С.В.
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт- Петербург, Россия
Возросший в последние десятилетия интерес к обеспечению энергоэффективности процесса обработки почвы в растениеводстве способствовал широкому распространению различные методов разработки принципиально новых почвообрабатывающих рабочих органов и машин. Разработка перспективных и совершенствование применяемых рабочих органов и агрегатов, обеспечивающих энергоэффективность и экологическую безопасность технологии обработки почвы, является актуальной задачей. Объектами исследований были технологический процесс и рабочие органы для поверхностной и мелкой обработки почвы, и уничтожения сорных растений. При проведении исследований применялись методы энергетической оценки почвообрабатывающих рабочих органов и машин, анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы новых рабочих органов. Их основными преимуществами по сравнению с типовыми органами являются адаптивность и самонастраиваемость их конструкции к почвенным условиям, что способствует снижению энергоемкости и повышению качества обработки почвы. Исследована работа кольцевых рабочих органов, которые обеспечивают разрушение крупных комков и глыб при рыхлении почвы. Засоренность полей сорняками снижается с помощью кольца в виде усеченного конуса и одновременного использования зубчатого сферического диска. Экспериментально
83
