CC BY
11
УДК 631.22.018:621.867
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НАВОЗА ПО КРИТЕРИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Ю.Ю. Спотару, аспирант, младший научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Е-mail: [email protected]
Аннотация. На основании изучения конструкции штанговых транспортеров к основным факторам, определяющим их эффективную работу, были отнесены: конструкция привода и тягового контура, длина хода и скорость перемещения тягового контура, профиль и длина канала, способ крепления, форма и геометрические размеры скребков, шаг их расстановки, угол установки скребков к оси тягового контура, физико-механические характеристики навоза, режим работы транспортера. Оптимальное сочетание параметров этих факторов очень важно, поскольку позволяет создать конструкцию, в максимальной степени исключающую разрушение тела волочения за счет переваливания навоза через скребок, выброс навоза из канала при рабочем и обратном ходе тягового контура. Все это позволяет сократить энергоемкость процесса уборки навоза, обеспечить соблюдение экологических и гигиенических требований. В результате экспериментальных исследований процесса уборки навоза при различных физико-механических характеристиках, таких, как влажность, гранулометрический состав, степень заполнения канала навозом, шаг расстановки скребков, были установлены закономерности изменения: активной зоны транспортирова-ния, длины формируемого тела волочения, степени захвата навоза скребками транспортера, максимальной производительности, удельной энергоемкости процесса. С учетом полученных результатов представляется возможность разработать методику расчета параметров штангового транспортера и технологической линии уборки навоза применительно к различным типам животноводческих помещений. Характерной особенностью штангового транспортера предлагаемой конструкции является обеспечение транспортировки навоза к точке выгрузки кратчайшим путем при минимальном объеме выполняемой работы. В качестве комплексного показателя оценки эффективности работы штангового транспортера предлагается использовать отношение эксплуатационных затрат на процесс уборки навоза к производительности и полноте уборки. Чем меньше показатель, тем эффективнее работа транспортера. Ключевые слова: штанговый транспортер, эффективность работы, производительность, шаг расстановки скребков, степень заполнения, зона транспортирования.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса уборки навоза из помещений показали, что при соответствующей доработке конструкции штанговых транспортеров они могут успешно применяться на всех типах животноводческих ферм при условии сбора навоза в каналах шириной до 500 мм. При этом их основные технико-экономические показатели будут превосходить лучшие отечественные и зарубежные образцы [1-3].
Применение штанговых транспортеров в системе удаления навоза позволяет:
• сократить путь перемещения навоза;
• увеличить надежность и срок службы системы;
• использовать существующие каналы различной ширины при модернизации объекта;
• снизить металлоемкость и энергопотребление;
• применять в небольших количествах длинноволокнистую подстилку.
Эффективность работы штанговых транспортеров (полнота уборки навоза, производительность, удельные затраты труда, материалов и т.д.) зависит от сочетания очень большого числа факторов. С учетом большого разнообразия планировочных решений животноводческих помещений требуются транспортеры с соответствующими техническими характеристиками, такими, как длина, тип и ход тягового контура, шаг их расстановки, мощность привода и т.д. Для оценки разработанной конструкции транспортера и оптимизации его технико-эконо-мических показателей необходимы критерии оценки эффективности процесса удаления навоза.
На основании изучения конструкции штанговых транспортеров по литературным источникам к основным факторам, определяющим их эффективную работу, были отнесены: конструкция привода и тягового контура, способ крепления, форма и геометрические размеры скребков, шаг их расстановки, длина хода и скорость перемещения тягового контура, профиль и длина канала, физико-механические характеристики навоза, режим работы транспортера и т.д.
Исследования, проведенные на первом этапе работ, показали, что основным параметром, характеризующим эффективность процесса уборки навоза штанговым транспортером, является объем формируемого тела волочения. Именно этот показатель определяет мощность установленного двигателя и производительность транспортера, а следовательно, и энергоемкость процесса. Однако формирование тела волочения, как и весь процесс транспортирования навоза, зависит от большого числа технологических и технических факторов, перечисленных выше [4, 5]. Ряд геометрических параметров транспортеров оказалось возможным установить теоретически через исследование технологического процесса транспортирования навоза.
Некоторые результаты были заимствованы из ранее выполненных работ. Было известно, что длина скребка определяется шириной навозосборного канала и зазором от крайней точки скребка до стенки канала. Угол установки скребков транспортера при холостом ходе к оси тягового контура должен быть не более 20о.
Исследования технологического процесса удаления навоза штанговым транспортером позволили установить параметры, влияющие на расстояние активного транспортирования навоза, закрытия и раскрытия скребков, аналитическую зависимость для определения длины тела волочения с учетом основных влияющих факторов [3,4,5]. Возможность определения этого показателя позволяет ограничить объем канала и установить частоту уборки навоза, чтобы предотвратить возможность выброса его из канала. На основании анализа схемы работы штангового
транспортера и ранее выполненных работ [3] было установлено, что геометрические размеры скребков и шаг их расстановки влияют на суммарную массу перемещаемого тела волочения. С другой стороны, величина данного показателя зависит от постановочного поголовья животных, качества навоза (влажности и вязкости), параметров навозосборно-го канала (размеров и качества выполнения покрытий), продолжительности накопления навоза. Эта зависимость была проанализирована и использована для оптимизации параметров штангового транспортера.
Известно, что одним из основных параметров любого механического средства перемещения с электрическим или гидравлическим приводом является сопротивление (усилие) на перемещение тягового контура при холостом и рабочем ходе, от которого зависит мощность электродвигателя гидравлической станции.
Из сказанного выше следует, что характеристиками штанговых транспортеров, определяющими эффективность процесса уборки навоза, являются: ход тягового контура, шаг расстановки скребков, их геометрические размеры, угол установки скребков к оси тягового контура, периодичность включения транспортера в работу. Оптимальное сочетание этих параметров очень важно, поскольку позволяет создать конструкцию, в максимальной степени исключающую разрушение тела волочения за счет переваливания навоза через скребок, выброс навоза из канала при рабочем и обратном ходе тягового контура. Все это вместе взятое позволяет сократить энергоемкость процесса уборки навоза, обеспечить соблюдение экологических и гигиенических требований.
Участие в процессе такого многофакторного биологического объекта как навоз, с одной стороны, и наличие большого разнообразия помещений - с другой, позволяет определить далеко не все конструктивные параметры транспортера на основании известных теоретических положений. Для определения недостающих показателей был создан экспериментальный образец штангового транспортера с гидравлическим приво-
дом, на котором были проведены работы по установлению зависимостей между теми его параметрами, которые не могут быть определены теоретически.
Основными характеристиками, от которых зависит эффективность работы штангового транспортера, являются: степень заполнения канала навозом; его физико-механические характеристики; время накопления навоза в канале; геометрические размеры канала, скребков и шаг расстановки их по длине тягового контура; скорость движения тягового контура.
От изменения этих факторов зависит длина зоны активного транспортирования, формируемого тела волочения и степень его деформации в зоне перехода скребка из рабочего положения в холостое.
Изменяя степень заполнения канала навозом и шаг расстановки скребков по длине тягового контура, определяли влияние вышеперечисленных факторов на:
- длину зоны раскрытия и закрытия скребков;
- степень захвата скребками навоза;
- полноту уборки навоза из канала;
- длину тела волочения;
- степень деформации тела волочения;
- производительность транспортера;
- энергоемкость процесса транспортирования.
Степень заполнения канала навозом изменяли от 25 до 100% через каждые 25%. Определяли данную величину по объему канала с учетом его геометрических размеров: длины, ширины и глубины. Шаг расстановки скребков изменяли от 500 до 2000 мм через каждые 500 мм. Ход тягового контура сохраняли постоянным - 2800 мм.
В результате экспериментальных исследований установлены закономерности изменения длины активной зоны транспортирования, формируемого тела волочения, полноты захвата навоза скребками транспортера, максимальной производительности и удельной энергоемкости процесса от изменяющейся степени заполнения канала навозом и шага расстановки скребков (рис. 1-5) [6-8].
Установлено, что с увеличением степени заполнения канала навозом от 25 до 100% зона раскрытия скребков соответственно уменьшается с 498 до 280 мм, а зона закрытия скребков - с 556 до 310 мм. Зона активного транспортирования в рассмотренном случае увеличивается с 2302 до 2520 мм. Аппроксимация полученных зависимостей представлена выражением (1)
■ 2227]
К.г= 2,93Л-Ь3 =-3,28Л4 Ьр =-1,70Лч
638 451
(1)
L, %
2700
2200 1700 1200 700 200
1 _____
о---
2 ■ — • 11".";
25
50
75
100 А, %
Рис.1. Влияние степени заполнения канала (А, %) навозом на длину зоны активного транспортирования (Ь, мм), закрытия и раскрытия скребков (Ьз, Ьр, мм): 1-длина зоны активного транспортирования; 2- длина зоны закрытия скребков; 3- длина зоны раскрытия скребков
Шаг расстановки скребков и степень заполнения канала навозом оказывают существенное влияние на полноту захвата навоза скребками транспортера. При шаге расстановки скребков, равном 1,0 м, максимальная полнота захвата достигается при 50% степени заполнения канала и составляет 89%, при шаге расстановки скребков 1,5 метра отмечается минимальная полнота захвата (рис. 2). Объясняется такая зависимость увеличением доли навоза, переваливаемой через скребок в процессе транспортирования его по каналу.
С ростом степени заполнения канала навозом происходит увеличение длины формируемого тела волочения. Максимального значения данная величина достигает при шаге расстановки скребков 0,5 м (рис. 3).
П, % 100
90
80
70
50
2
А / / / / г- V 1 -----
/ г / / / //
■ / / , . —ь .3 к — Ь • ___
Л" '
М, кг/ч
9000
25
50
75
100 А' %
Рис. 2. Влияние степени заполнения канала (А, %) навозом на полноту захвата его скребками (П %) при длине рабочего хода 2800 мм: 1-шаг расстановки скребков 0,5 м; 2- шаг расстановки скребков 1,0 м; 3-шаг расстановки скребков 1,5 м. L, м 3
2,5 2 1,5 1
0,5
1
. — . —
25 50 75 100 А' %
Рис. 3. Влияние степени заполнения канала навозом (А,%) на длину формируемого тела волочения (Ь, м) при длине рабочего хода 2800 м.
При этом же шаге расстановки скребков достигается максимальная производительность 7,3 т/ч (рис. 4). Влияние степени заполнения канала на удельную энергоемкость процесса (Э1;2,3, кВт/т) при шаге расстановке скребков 0,5; 1,0; 1,5 м представлены на рисунке 5. Минимальная удельная энергоемкость процесса получена при шаге расстановки скребков 1,0 м, что объясняется меньшей деформацией тела волочения при возврате скребков в рабочее положение.
С учетом полученных результатов представляется возможность разработать методику расчета параметров штангового транспортера и технологической линии уборки навоза применительно к различным типам животноводческих помещений.
7000
5000
3000
1000
9 г .
/О з Г.-" .—
25 50 75 100 А' %
Рис. 4. Влияние степени заполнения канала навозом (А, %) на максимально возможную производительность транспортера (М, кг/ч) при длине рабочего хода 2800 мм: 1 - шаг
расстановки скребков 0,5 м; 2 - шаг расстановки скребков 1,0 м; 3 - шаг расстановки скребков 1,5 м.
Э, кВт «ч/т
2,2
1,7
1,2
0,7
0,2
25
50
75
100
А, %
Рис. 5. Влияние степени заполнения канала навозом (А, %) на удельную энергоемкость процесса уборки (Э, кВт-ч/т) при длине рабочего хода 2800 мм: 1-шаг расстановки скребков 1,0 м; 2- шаг расстановки скребков 0,5 м; 3-шаг расстановки скребков 1,5 м.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сократить количество влияющих факторов и отбросить незначимые. Несмотря на сокращение количества критериев (факторов влияния) в оценке эффективности транспортирования навоза штанговым транспортером до 10 (длина зоны активного транспортирования, раскрытия и закрытия скребков, степень захвата навоза скребками, полнота уборки его из канала, длина тела волочения и степень его деформации, производительность и
энергоемкость процесса транспортирования, влажность исходного навоза), все-таки их количество достаточно велико для оценки оптимальности его конструкции. Их сокращение и, как следствие, упрощение анализа видится не в отбрасывании отдельных факторов как менее весомых и оказывающих меньшее влияние, а обобщение их в комплексный показатель, сохраняющий влияние каждого из них.
Таким показателем, по нашему мнению и исходя из результатов проделанной работы [6-9], может стать комплексный критерий оценки эффективности выбранной конструкции транспортера в условиях работы конкретного животноводческого помещения:
К = Э/П-У (рубч/т),
где Э - эксплуатационные затраты, руб.; П - производительность транспортера, т/ч; У - полнота уборки навоза (в долях, У max <1).
Показатель эксплуатационных затрат представляет сумму затрат на эксплуатацию данного оборудования в условиях конкретного производственного помещения. Этот показатель включает, прежде всего, амортизационные отчисления, зависящие от стоимости и срока службы транспортера, затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт (зависящие от надежности оборудования и временных затрат на устранение неисправностей в работе), оплату труда через тарифы, учитывающие квалификацию обслуживающего персонала, и затраты труда на подготовку и включение транспортера в работу, наблюдение за работой (если это необходимо) и выключение после окончания работ, затраты на электроэнергию учитывают через мощность установленного оборудования, тарифы, коэффициент загрузки двигателя и время его работы. Отношение эксплуатационных затрат к производительности показывает затраты в рублях на тонну убранного навоза. Полнота уборки навоза входит в выражение как корректировочный коэффициент, учитывающий качество очистки канала после завершения уборки. Для улучшения этого показателя возможен набор различных мер, реализация которых может быть оценена с помощью рассмотренного показателя.
Так, чтобы повысить чистоту уборки канала, возможна организация более частой уборки навоза или замена одноразового прохода транспортера вдоль канала двухразовым. Каждая из этих или других мер в свою очередь может изменить составляющие показатели затрат, а также комплексный показатель, вследствие этого возможно будет оценить целесообразность предлагаемых мер.
Выводы.
1. Результатами теоретических и экспериментальных исследований установлено, что предполагаемая конструкция штангового транспортера может быть использована на всех типах ферм при условии накопления навоза в канале шириной до 0,5 м, допускается возможность применения всех видов подстилки, в том числе и неизмельченной соломы.
2. Эффективность процесса уборки навоза штанговым транспортером в значительной мере зависит от степени заполнения каналов навозом, его влажности и шага расстановки скребков. Установлено, что максимальная полнота захвата скребками навоза достигается при шаге расстановки скребков 1 м и степени заполнения канала в пределах 60%. При таком же шаге расстановки скребков достигается максимальная производительность -до 7,3 т/ч и минимальная удельная энергоемкость процесса - до 0,45 кВт-ч/т.
Литература:
1. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Основные направления совершенствования технологий и технических средств для уборки навоза из помещений и подготовки его к использованию // Техника и оборудование для села. 2012. №3. С. 20-24.
2. Ковалевский В.К. Расчет скреперных установок для удаления навоза // Техника в с.х. 1990. №2. С. 36-37.
3. Левчикова М.В. Исследование и обоснование параметров и режимов работы скреперных установок для уборки навоза на фермах КРС: дис. к.т.н. М., 1980.
4. Реппо Б.А. Исследование скреперной установки для траншейного удаления навоза из коровника: автореф. дис. к.т.н. Каунас, 1970.
5. Цирятьев А.С. Исследование и обоснование технологических линий навозоудаления на животноводческих фермах: автореф. дис. к.т.н. Челябинск, 1972.
6. Гриднев П., Гриднева Т. Результаты испытаний технических средств для уборки навоза из животноводческих помещений // Вестник ВНИИМЖ. 2012. №4.
7. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Теоретические основы расчета параметров штангового транспортера для уборки навоза // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №1. С. 56.
8. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т., Кузьманина Ю.Ю. Результаты экспериментальных исследований процесса уборки навоза штанговым транспортером // Проблемы интенсификации животноводства с учетом охраны окружающей среды и производства альтернативных источников энергии, в т.ч. биогаза. Фаленты, 2015.
9. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т., Спотару Ю.Ю. Закономерности процесса уборки навоза штанговым транспортером с гидравлическим приводом // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №4. С. 115-118.
10. Повышение эффективности функционирования технических систем подготовки навоза к использованию / П.И. Гриднев и др. М., 2000.
Literatura:
1. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Osnovnye napravleniya sovershenstvovaniya tekhnologij i tekhnicheskih sredstv dlya uborki navoza iz pomeshchenij i podgotovki ego k ispol'zovaniyu // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2012. №3. S. 20-24.
2. Kovalevskij V.K. Raschet skrepernyh ustanovok dlya udaleniya navoza // Tekhnika v s.h. 1990. №2. S. 36-37.
3. Levchikova M.V. Issledovanie i obosnovanie paramet-rov i rezhimov raboty skrepernyh ustanovok dlya uborki navoza na fermah KRS: dis. k.t.n. M., 1980.
4. Reppo B.A. Issledovanie skrepernoj ustanovki dlya transhejnogo udaleniya navoza iz korovnika: avtoref. dis. k.t.n. Kaunas, 1970.
5. Ciryat'ev A.S. Issledovanie i obosnovanie tekhnologi-cheskih linij navozoudaleniya na zhivotnovodcheskih fermah: avtoref. dis. k.t.n. CHelyabinsk, 1972.
6. Gridnev P., Gridneva T. Rezul'taty ispytanij tekhnicheskih sredstv dlya uborki navoza iz zhivotnovodcheskih pomeshchenij // Vestnik VNIIMZH. 2012. №4.
7. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Teoreticheskie osnovy rascheta parametrov shtangovogo transportera dlya uborki navoza // Vestnik VNIIMZH. 2013. №1. S. 56.
8. Gridnev P.I., Gridneva T.T., Kuz'manina YU.YU. Rezul'taty ehksperimental'nyh issledovanij processa uborki navoza shtangovym transporterom // Problemy intensify-kacii zhivotnovodstva s uchetom ohrany okruzhayushchej sredy i proizvodstva al'ternativnyh istochnikov ehnergii, v t.ch. biogaza. Falenty, 2015.
9. Gridnev P.I., Gridneva T.T., Spotaru YU.YU. Zakono-mernosti processa uborki navoza shtangovym transporterom s gidravlicheskim privodom // Vestnik VNIIMZH. 2015. №4. S. 115-118.
10. Povyshenie ehffektivnosti funkcionirovaniya tekhni-cheskih sistem podgotovki navoza k ispol'zovaniyu / P.I. Gridnev i dr. M., 2000.
THE RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES AND THE MANURE DISPOSAL SYSTEM WITH ROD CONVEYOR
FUNCTIONING'S EFFICIENCY CRITERIA JUSTIFICATION Ju.Ju. Spotaru, post-graduate student, junior research worker All-Russian scientific-and-research institute of livestock mechanization
Abstract. Based on the rod conveyors design's study the main factors determining their efficiency, were identified as: drive and traction contour design, stroke length and traction contour movement speed, profile and length of channel, method of attachment, scraper's shape and geometric size, step of their arrangement, scrapers' mounting angle to traction contour axis, manure physical-and-mechanical characteristics, conveyor's operating regime. The optimal combination of these factors' parameters is very important because it allows to create a construction, in greatest extent excluding body of dragging destruction by manure dropping throughout scraper, the of manure throwing from a channel at traction contour working and return motion. All this allows the manure disposal process energy intensity to reduce, ecology and hygiene requirements to ensure. As a result of manure disposal process's experimental studies at different physic-and-mechanical characteristics, such as humidity, granulometric composition, level of channel's filling with manure, step of scrapers arrangement were established regularities of changes: length of active transportation area, and formed body of dragging, manure conveyor capture rate, the maximum productivity, process intensity's specific energy capacity. Taking into account the obtained results it is possible to develop rod conveyor's parameters calculation and manure disposal technological line methodology for livestock buildings various types. A characteristic feature of proposed design rod conveyor is manure transportation to the point of unloading at the shortest route with a minimum amount of made work's providing. As a complex indicator of rod conveyor's work efficiency is proposed to use the manure disposal process operating costs to the performance and completeness of cleaning ratio. The smaller the ratio, the more efficient conveyor's work.
Keywords: rod conveyor, efficiency of work, performance, scrapers' arrangement step, level of filling, transportation area.
