МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

Вітрух Ігор Петрович

УДК: 631.112; 631, 816

ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ПРИГОТУВАННЯ ОРГАНІЧНИХ ДОБРИВ У ПОЛЬОВИХ УМОВАХ І ПАРАМЕТРІВ ЗАБІРНО-ЗМІШУЮЧОГО ОРГАНА МОБІЛЬНОГО НАВАНТАЖУВАЧА БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇЇ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мелітополь – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному науковому центрі “Інституті механізації та електрифікації сільського господарства” (“ІМЕСГ”) Української академії аграрних наук (УААН)

Науковий керівник доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Лінник Микола Кіндратович, заступник академіка-секретаря відділення механізації і електрифікації УААН.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кор. УААН,

Красніченко Олександр Леонідович, НВО "Селта"

УААН, директор

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Босий Микола Антонович Національний науковий центр “ІМЕСГ" УААН, лабораторія "Системи машин в рослинництві", провідний науковий співробітник

Провідна установа: Тернопільський державний технічний університет ім.І.Пулюя Міністерства освіти і науки України, м. Тернопіль

Захист відбудеться 16.11.2001р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького, 18, ауд. 1. 127.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького, 18.

Автореферат розісланий 15.10.2001 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Черкун В.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зниження продуктивності сільськогосподарських угідь в Україні за останні роки є наслідком недопустимого зниження підживлення їх органічними добривами. Якщо у 1990 році господарства країни вносили на один гектар ріллі 8,1 тонни органічних добрив, то у 1999 році - в 4 рази менше. Підживлення цими добривами площ тепер не перевищує 4 відсотки. Під зернові культури вносять лише 1,1, технічні - 3,8, овочі - 5,5, кормові культури - 2,3 тони на один гектар посівної площі. В загальному балансі поживних речовин в землеробстві по Україні, на долю органічних добрив приходиться біля 40%. Вміст гумусу в ґрунті поповнюється тільки на 50%. Недостатньо використовується для поповнення органічної речовини в ґрунті солома, осад стічних вод, промислові і побутові відходи. Великим резервом для збільшення об’ємів застосування органічних добрив є приготування компостів із різних видів органічної сировини, при цьому одночасно вирішується ряд питань захисту довкілля.

Недосконалість існуючих технологій і засобів механізації приводить до зниження якості компостів. Основною операцією в технологічному процесі приготування компостів є перемішування вихідних компонентів, неоднорідних за своїм фізико-механічним складом, а існуючі засоби механізації не забезпечують якісної реалізації процесу сумішоутворення в польових умовах. Приготовлені за таких умов компости по якісних показниках не задовольняють вимогам. У зв’язку з цим розробка нових і удосконалення існуючих технологій і змішувальних механізмів для приготування компостних сумішей у польових умовах є актуальним питанням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в ІМЕСГ УААН в 1989-1997 роках в рамках тематичних планів науково-дослідних робіт лабораторії механізації застосування органічних добрив. Проблема 051.02.03.03 “Розробити технологічні процеси і технічні засоби для вирощуванні зернових колосових, зернобобових культур і кукурудзи в Степу, Лісостепу і Поліссі УРСР, що забезпечують підвищення продуктивності праці в 1,5 рази і зниження затрат енергії на одиницю продукції на 15%” (ДР № 01.9.00 023 203). Договір-завдання УААН №17 “Розробити наукові основи створення перспективних машин, оптимізації технологічних процесів і адаптивних робочих органів та обґрунтувати комплекси машин для вирощування сільськогосподарських культур за екологічно-безпечними, енергоресурсозберігаючими технологіями” - розділ 17.Р.1.2.1. (ДР № 01 93 U 034 273). Автор є одним із виконавців цих проблем. Робота виконана здобувачем самостійно під керівництвом відповідального виконавця розділів 17.Р.1.2.1 та 051.02.03.03 к.т.н., с.н.с. Висовня В.В. якому автор висловлює свою подяку.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення якості приготування компостів в польових умовах із різних видів органічної сировини за умови дотримання природоохоронних вимог. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- Опрацювати теоретичні передумови і встановити основні чинники, що визначають процес приготування компостних сумішей в польових умовах пошаровим способом за “частково-організованим” принципом сумішоутворення.

- Обґрунтувати функціональну схему, оптимальні конструктивні та кінематичні параметри забірно-змішувального органа навантажувача безперервної дії.

- Встановити гранично допустимі технологічні параметри процесу формування бурта вихідних компостів пошаровим способом.

- Провести лабораторно-польові дослідження і виробничу перевірку процесу приготування органічних добрив в польових умовах, визначити техніко-економічні показники процесу.

Об’єкт дослідження – технологічний процес приготування компостних сумішей в польових умовах.

Предмет дослідження – забірно-змішуючий орган мобільного навантажувача безперервної дії, торф, гній ВРХ, солома, стружка деревини, залежність показників якості приготування компостної суміші від конструктивних і режимних параметрів роботи механізмів.

Методи досліджень. Застосовані сучасні методи аналізу результатів теоретичних та експериментальних досліджень технологічних процесів і робочих органів при виконанні окремих операцій процесу з наступним синтезом, на його основі конструктивної схеми, параметрів та режимів роботи змішувального механізму. Методи математичного моделювання і прикладного програмування, диференціальних обчислень. Експериментальні дослідження проводились із застосування методу фізичного моделювання та планування експерименту. Використано метод лабораторно-виробничого експериментування і тензометрування із залученням трактора-тензостанції, математичної статистики з використанням ПК.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в удосконаленні технологій приготування компостних сумішей у польових умовах, що передбачає приготування суміші за “частково-організованим” принципом сумішоутворення; теоретичному обґрунтуванні процесу сумішоутворення у польових умовах; обґрунтуванню конструктивних і режимних параметрів забірно-змішуючого органа до навантажувача безперервної дії. Виявлені основні чинники, що визначають якість приготування компостних сумішей. Запропоновано математичну модель та реалізовано програму розрахунку на ПК процесу сумішоутворення та руху технологічної маси по лопатці фрези. Отримано емпіричні залежності для визначення режимних параметрів роботи агрегатів та якості приготованої суміші. Новизна технічного рішення конструкції забірно-змішуючого органа підтверджена позитивним рішенням Роспатенту №506283/15.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці дослідних взірців комплекту обладнання, що дозволяє реалізувати “частково-організований” спосіб сумішоутворення в польових умовах. Визначені за критеріями продуктивності процесу і якості приготування суміші режими роботи змінних робочих органів гноєрозкидача і навантажувача безперервної дії. Застосування розробленого обладнання розширює діапазон використання серійних машин, збільшує їх завантаження та знижує матеріальні затрати на приготування компостів. Результати досліджень пройшли виробничу перевірку і впроваджені у виробництво в господарствах Київської і Тернопільської областей, що підтверджено відповідними актами. Матеріали проведених досліджень є основою розроблених за участю автора “Вихідних вимог на комплект обладнання для пошарового приготування тепличних ґрунтів” №ВР.46.16.07.11-93. Результати досліджень передані для практичного користування конструкторської організації ДП “КТІСМ” (м. Запоріжжя).

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором особисто проведено теоретичне обґрунтування технологічного процесу приготування компостних сумішей у польових умовах за “частково-організованим” принципом сумішоутворення [4], параметрів і режимів роботи забірно-змішуючого органа мобільного навантажувача безперервної дії [1]. Здобувачем самостійно розроблена і виготовлена експериментальна установка, проведено серію експериментальних дослідів і виробничу перевірку розроблених технологій і засобів механізації із залученням інженерів і техніків лабораторії [2,3]. За безпосередньої участі здобувача розроблено макетні зразки універсальних робочих органів до навантажувача безперервної дії та розкидача органічних добрив. Розроблено програму досліджень з використанням сучасних методів і обладнання. Підготовлено рекомендації щодо використання результатів досліджень у виробництві. Основні результати роботи отримані автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником, відповідальним виконавцем розділу теми. В друкованих працях по темі дисертації, виданих у співавторстві, особистий науковий внесок здобувача складає 75% (розроблено основні наукові положення та одержано результати експериментальних досліджень і виробничої перевірки), а у заявці на патент на винахід -35% загального обсягу розробок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних і практичних конференціях і семінарах (В.Борки, 1990р., Суми, 1990р., В.Бакта, 1991р., Глеваха, 1991, 1992рр., Асканія –Нова, 1993р., Тернопіль, 2000р.). На засіданні відділу механізації вирощування польових культур ІМЕСГ УААН (Глеваха 1990-1996рр., 2001р.); на засіданні вченої ради ІМЕСГ УААН (Глеваха 1990-1996рр).

Публікації. Результати наукових досліджень опубліковані в 10 друкованих працях, з них 4 - у фахових виданнях, 6 тез доповідей у матеріалах конференції. Загальний обсяг публікацій складає 3,23 друк. арк., з них автору належить 2,61 друк. арк.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 149 найменувань та додатків. Викладена на 129 сторінках основного машинописного тексту, містить 23 таблиці, 72 рисунки та 33 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, подано характеристику результатів досліджень і їх новизну. Сформульовано основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі “Стан питання і завдання досліджень” дано аналіз основних видів органічної сировини, їх склад і властивості. На основі аналізу і узагальнення сформульовані основні передумови до процесу компостування біологічно активного компоненту з наповнювачем (торфом, соломою та ін.) і мінеральними добавками. Приведені результати огляду і аналізу відомих технологій і засобів механізації для приготування компостних сумішей. Встановлено, що існуючі технології не забезпечують додержання необхідних умов для процесу компостування. А мобільні універсальні засоби механізації безперервної дії для приготування компостних сумішей в польових умовах відсутні. Проведено аналіз процесу змішуванням за принципом організації сумішоутворення.

Висунута робоча гіпотеза, яка полягає в тому, що любу суміш із сипучих, напівсипучих, напіврідких компонентів можна приготувати у відповідності з агротехнічними вимогами, способом в основі якого лежить паралельне пошарове формування бурту з наступним поперечним перемішуванням шарів компонентів мобільним навантажувачем безперервної дії. При цьому виходили із твердження, що у контрольній пробі, взятій у якому-небудь місці суміші, компоненти повинні знаходитись в заданому співвідношенні.

Проведено огляд і аналіз результатів теоретичних і експериментальних досліджень процесу сумішоутворення із матеріалів різних видів (Лапшін О.О., Чувпило О.В., Макаров Ю.І., Новобратський В.Л., Кукта Г.М., Гейфман В.П., Висовень В.В., Гребінник В.І., Керімов С.Ф., Чуєшков В.О.). В працях цих авторів відображено ряд особливостей досліджуваних технологій. Проте, ще недостатньо вивчені питання утворення компостних сумішей в польових умовах з урахуванням нерівномірності вхідних потоків вихідних компонентів. Це обумовило необхідність проведення спеціальних досліджень, пов’язаних з обґрунтуванням технологічних і режимних параметрів процесу приготування компостних сумішей в польових умовах мобільним комплексом машин. На основі аналізу існуючих технологій, результатів теоретичних і експериментальних досліджень, висунутої гіпотези з урахуванням агротехнічних передумов розроблена базова технологічна схема (рис.1). В кінці розділу сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі “Теоретичні передумови до обґрунтування технологічного процесу і параметрів забірно-змішуючого органа” викладено деякі елементи процесу пошарового сумішоутворення з наступним перемішуванням. Виконано обґрунтування функціональної схеми забірно-змішуючого органа, викладено елементи теорії процесу його роботи. Розроблені алгоритми і програми для моделювання процесу приготування компостних сумішей мобільними механізмами на ПК. Проведено оптимізацію отриманих параметрів і поставлені задачі експериментальних досліджень. Розроблено і обґрунтовано технологічну і структурну схему (рис.2) процесу перемішування мобільним змішувачем. Мінімальна тривалість перемішування, що забезпечує необхідну однорідність визначається за формулою

, (1)

де ?=у0/ук=1,05…1,1-коефіцієнт, що характеризує закінченість процесу змішування;

у0,ук-початкове і кінцеве значення середньоквадратичного відхилення компонента в порціях суміші рівної маси. Знайдено алгоритм, розроблено програми і проведено розрахунки.

При розробці нової конструкції змішувального механізму для роботи в польових умовах , враховувались нормативні агротехнічні вимоги до якості суміші.

За прийнятої компоновочної схеми змішуючого органа (рис. 3) його працездатність забезпечується при виконанні умови VРО = VC = VЛ + VФ, де VРО - загальний об’єкт матеріалу, що подається на відвідний транспортер; VC - об’єм cпорожнення, подається розвантажувальною лопатевою частиною фрези у розвантажувальне вікно; VЛ, VФ -об’єми, що подаються під розвантажувальну лопасть лопатевою і гвинтовою частиною змішувального органа. Звідси

VPO =VП , (2)

де VП - об’єм простору між сусідніми розвантажувальними лопастями; - коефіцієнт заповнення міжлопатевого простору. Робочий орган, при подачі на бурт укладених компонентів, за період часу, що відповідає центральному куту ?ц між вивантажувальними лопастями гвинтової фрези захоплює об’єм маси, переріз якого можна умовно прийняти паралелограмом АВСД, площа якого

SABCD = , (3)

де Н - висота бурта; t - висота паралелограма АВСD; - кут встановлення касети

В процесі захвата маси із бурта, ріжучі органи провертаються і врізаються в бурт на величину АВ=l. Об’єм призми з основою паралелограма, що відповідає об’єму VPO визначається

, (4)

де - середня ширина призми бурта після входу робочого органа в бурт; = 450 - кут природного нахилу; LPO - робоча ширина захвату; LPO = (1,1...1,2)LM MAX,- розмір робочої частини змішувального механізму, де LM MAX - передбачувані розміри начіпки базової машини.

Об'єм міжлопатевого простору вивантажувального ротора:

VП = BP , (5)

де ВР - ширина лопатевої частини фрези; z - число лопатей; Rз, rв - зовнішній і внутрішній радіуси лопаті.

Підставивши значення невідомих із (4) і (5) у (2) отримаємо вираз швидкості подачі змішуючого механізму

, (6)

де n - кількість обертів фрези за одиницю часу.

Аналізуючи роботу лопатевої частини змішувального механізму розглянуто рух матеріалу як рух окремо взятої матеріальної точки S масою m по шорсткій поверхні лопатки окремої фрези, при цьому використали положення робіт академіка Василенка П.М. Диференційне рівняння руху частини по площині яка обертається відносно горизонтальної осі має вигляд

(7)

де 1+t - функція часу; - функція шляху, вимірюваного вздовж лопатки.

Розв'язок цього рівняння при заданих початкових умовах , r0, f, 1, 0 дало можливість визначити шлях проходження частинки матеріалу по площині лопаті фрези, провести аналіз процесу розвантаження фрези, визначити відносну швидкість частинки в момент часу сходження.

З рівняння (7) видно, що по закону який воно описує частинка буде рухатись лише до певного моменту. В подальшому рух її буде описуватись законом вільного падіння

, (8)

де tk - момент відриву частинки від лопатки; x' i y' - початкова у цей час швидкість.

На основі цих співвідношень і відомого методу Рунге-Кутта розроблено програмне забезпечення для моделювання описаного процесу руху частинки на ПК і отримано ряд залежностей (рис.4; рис.5), які поглибили вивчення процесу сумішоутворення. Поведінка порції матеріалу на лопатці і після залишення лопатки вивчена при аналізі руху маси (рис.6). В результаті оптимізації одержаних результатів градієнтним методом виявлені оптимальні конструктивні і режимні параметри змішуючого механізму, що забезпечують його працездатність.

Рис. 4. Залежність змінювання кута розвантаження лопаті від змінювання кутової швидкості фрези при різних коефіцієнтах тертя: 1 - f = 0,85; 2 - f=0,45; 3 - f=0,25. | Рис 5 . Вплив кутової швидкості фрези на кут розвантаження лопаті при різних діаметрах лопатевого вала і коефіцієнті тертя f=0,45: 1 - d = 300 мм; 2 - d = 400 мм; 3 - d = 450 мм; 4 - d = 550 мм.

При вивченні процесу безперервного змішування механізмом, виходили з того, що вхідні компоненти у сформованому бурті розподілені з певною нерівномірністю. Необхідно щоби забірно-змішуючий орган був спроможним згладжувати цю нерівномірність в процесі перемішування бурта. Динамічні характеристики змішувального органа математично описуються залежністю , де W(P) - передавальна функція і-тої ланки; п - кількість ланок. Процес зміни концентрації контрольного компонента в змішувачі безперервної дії описано виразом , де Свх, Свих - концентрація відповідно на вході і виході; Тзм - постійна часу змішувача.

Забірно-змішувальний орган мобільного навантажувача безперервної дії представлено як однорідну лінійну динамічну систему з одним входом та одним виходом і послідовним поєднанням процесів перемішування і транспортування. Використавши правила перетворення Лапласа та послідовного поєднання процесів перемішування і транспортування отримано вираз математичної моделі процесу безперервного змішування змішувальним органом мобільної машини:

, (9)

де tз -час транспортування маси у змішувачі; Tзм - постійна часу змішувача, р - комплексна перемінна

Розв’язок математичної моделі процесу змішування забірно-змішувальним органом отримано розв’язавши диференційне рівняння першого порядку із запізнювальною правою частиною і нульовими початковими умовами:

, (10)

де з - додатковий час запізнювання.

Використавши математичний апарат теорії функцій, що виражає зв’язок між вхідними параметрами через частотні характеристики і спектральну щільність вхідних і вихідних потоків, знайдено аналітичну залежність між вхідними параметрами змішувача і Тзм - постійною часу змішувача. За спектральною щільністю визначено дисперсію Ду на виході із змішуючого механізму

, (11)

де, -коефіцієнт, що характеризує кривизну графіка кореляційної функції. Реалізувавши приведені виклади на ПК отримано ряд залежностей (рис.7 – 9), аналіз і оптимізація

яких дозволили визначити технологічні параметри змішуючого механізму, які забезпечать приготування суміші, що відповідає агротехнічним вимогам.

В третьому розділі “Експериментальні дослідження” подані програма, методика і результати досліджень. Програма досліджень передбачала визначення динамічних характеристик, згладжувальної і внутрішньої змішувальної спроможності забірно-змішувального органа. Визначення оптимальних конструктивних і режимних параметрів змішуючого органа, а також статистичних характеристик потоків вихідних компонентів.

Дослідження по визначенню внутрішньої змішувальної спроможності і оптимальних параметрів забірно-змішувального органу проводились на розробленій і виготовленій нами експериментальній установці (рис.10 ), яка являє собою геометрично- подібну фізичну модель мобільного навантажувача безперервної дії і забірно-змішуючого органа. Досліджувані матеріали - торф, твердий гній, стружка деревини, горох, солома.

Для визначення якості суміші проби відбирались масою 0,5 кг. Дослідження внутрішньої змішувальної спроможності забірно-змішувального органа, технологічних параметрів забірно-змішуючого органа проводились при встановлених режимах роботи. Визначення оптимальних конструктивно-технологічних параметрів проводилось з використанням методу фізичного моделювання і математичного планування експериментів. Результати досліджень подані на рис.11. В результаті проведених експериментів встановлено, що оптимальні значення параметрів забірно-змішуючого органа по його внутрішній змішувальній здатності наступні: коефіцієнт заповнення змішувальної камери 0,4...0,45; частота обертання лопастних валів касети 80...95 хв-1 (діаметр лопастних валів 450 мм), частота обертання фрези 90 хв-1 (діаметр 900 мм). Поступальна швидкість забірно-змішуючого органа -125 м/год. Нерівномірність суміші, що характеризується коефіцієнтом варіації становила 7,15...8,9%.

Дослідження по визначенню динамічних характеристик і згладжувальної здатності забірно-змішуючого органа проводились при його оптимальних параметрах по внутрішній змішувальній здатності. В результаті проведених експериментів були отримані функції відгуку забірно-змішуючого органа на вхідне збурення. Криві відгуку (рис.12а) забірно-змішуючого органа являють собою розподіл трасера в пробах суміші відібраних послідовно на виході. По значеннях кривої відгуку побудована імпульсна перехідна (рис. 12б) і перехідна (рис. 12в) функція. Використовуючи метод кратних коренів. По значеннях перехідної функції визначили постійну часу забірно-змішуючого органа, Тс =2,04.

Faп(t)=1-exp() (12)

По рівнянню (12) визначили значення Faп(t) і побудували по них апроксимуючу перехідну функцію (крива 2, рис12в). Результати експериментів підтвердили правомірність опису процесу змішування в забірно-змішуючому органі рівнянням (9).

Для визначення згладжувальної здатності було змодельовано три варіанти вхідних потоків. Нерівномірність вмісту маси компонентів (по коефіцієнту варіації Vx[c] на ділянці пересувної площадки експериментальної установки - 21, 6% (Дх=7,88х10-3); 34,8% (Дх=2,39х10-2) і 69,22% (Дх=7,67х10-2)). На виході із забірно-змішуючого органа одержали потоки, які мали наступні значення Vу[с] = 4,21% (Ду=5,42х10-8); Vу[с] = 20,45% (Ду=1,09х10-6); Vу[с] = 22,86% (Ду=9,4х10-6) відповідно. Із аналізу результатів видно, що експериментальний забірно-змішуючий орган має хорошу згладжувальну здатність. Також встановлена експериментальна залежність для визначення постійної часу.

ТЗ=0,2419V/QV (13)

де V -ємкість камери змішування при коефіцієнті заповнення 0,4...0,45

QV - об’ємна продуктивність.

За допомогою формули можна визначити параметри мобільного змішувача-навантажувача безперервної дії, які забезпечують згладження вихідних потоків до потрібних значень.

У четвертому розділі “Лабораторно-польові дослідження” подані програма, методики і результати досліджень процесу пошарового формування бурту із компонентів, енергетичних показників забірно-змішуючого органа, визначення фізико-механічних властивостей та агрохімічного складу вихідних компонентів і суміші.

При проведенні польових досліджень використовувались розкидувач твердих органічних добрив типу ПРТ з експериментальним навісним модулем для пошарового формування бурту, експериментальний розкидувач напіврідких органічних добрив конструкції ІМЕСГ, навантажувач безперервної дії ПНД-250А з експериментальним забірно-змішувальним органом, пересувна тензометрична станція.

В результаті досліджень технологічного процесу приготування компостних сумішей в польових умовах встановлено, що при нерівномірності пошарового розподілення компонентів (V[c] =35...38%) нерівномірність суміші, після змішування змішувачем-навантажувачем безперервної дії, становить 7,15...17,35% - для суміші з торфу і підстилкового гною. Нерівномірність суміші задовольняє агротехнічні вимоги. Це пояснюється тим, що максимальна висота шарів компонентів в процесі бурту практично не виходила за границі розрахункової, а коефіцієнт кореляції між шарами був позитивним. Встановлено, що на коефіцієнт кореляції значно впливає вид епюр розподілу компонентів і їх взаємне розташування. Отримано математичні залежності для описання взаємозв’язку між шарами торфу і гною в напрямку руху агрегату (при значеннях коефіцієнта кореляції R = 0,991 і коефіцієнта детермінації D = 0,982)

, (15)

а також по ширині бурта

, (16)

де х - масова доля торфу; у - масова доля гною (при коефіцієнті кореляції R=0,999 і коефіцієнті детермінації D=0,999).

Максимальний коефіцієнт кореляції забезпечується геометричною подібністю епюр розподілу компонентів. Подібність епюр (рис.13) досягається застосуванням однотипних робочих органів роторного типу.

Визначення енергетичних характеристик змішувача-навантажувача і забірно-змішуючого органа виконані двома методами. Повна енергоємність агрегату визначалась по витраті пального двигуном, як сумарна кількість механічної енергії, витраченої при даному процесі, включаючи всі втрати в вузлах і механізмах, що зайняті в роботі. Енергоємність процесу забору і переміщування маси забірно-змішуючим органом визначена як відношення встановленої пружності на приводі до продуктивності. Потужність на приводі визначена через крутний момент і частоту обертання валу. Крутний момент і частота обертання валу приводу визначались методом тензометрування. Питомі витрати енергії при перемішуванні маси змішувачем-навантажувачем з експериментальним забірно-змішуючим органом на 0,012 кВт.год/т/год менше ніж навантажувачем ПНД -250А з серійним забірним органом. Потужність, що споживалася експериментальним забірно-змішуючим органом на 0,17 кВт менше потужності, яка споживалась серійним забірним органом.

Дослідження основних фізико-механічних властивостей і агрохімічного складу вихідних компонентів проведені по загальноприйнятих методиках. Визначені властивості, які найбільше впливають на біотермічний процес компостування. Біотермічний процес добре розвивається при вихідній насипній густині 600...630 кг/м3. На гомогенність суміші і степінь її насиченості повітрям значно впливають гранулометричний склад і насипна густина. Результати досліджень подані на рис. 14, рис. 15.

Аналіз агрохімічного складу показує, що вміст поживних елементів і рН середовище в торфогнійних сумішах в основному, залежить від концентрації в суміші сухої речовини гною і торфу.

У п’ятому розділі “Виробнича перевірка технологічного процесу приготування органічних добрив в польових умовах” подані результати розробки макетних зразків засобів механізації, дані про виробничу перевірку технологічного процесу приготування компостних сумішей в польових умовах мобільним комплексом машин. Подані основні результати техніко-економічної і енергетичної оцінки технології приготування компостних сумішей в польових умовах. Дані про використання і впровадження результатів досліджень, підтверджених відповідними документами.

Результати виробничої перевірки технології пошарового приготування компостних сумішей в польових умовах в господарствах Київської і Тернопільської областей підтвердили простоту технології та її універсальність (дозволяє готовити компостні суміші із матеріалів з різними фізико-механічними властивостями). Можливість суміщення операцій подрібнення, відділення сторонніх домішок, дозування і розподілу. Технологія не потребує спеціальних капітальних та інших споруд. Виробничі випробування розробленої технології показали, що мобільний змішувач-навантажувач безперервної дії забезпечує продуктивність при змішуванні і аеруванні 201 т/год при питомих витратах енергії 0,208 кВт.год/т/год і нерівномірності змішування 7,15...17,5%. Коефіцієнти варіації розподілу компонентів суміші такі: торфу 7,15%, гною 8,88%, соломи 11,04%, гороху (трасера) 17,35%. Продуктивність мобільного змішувача-навантажувача безперервної дії на навантаженні суміші з бурту висотою 1,6 м, становила 196,5 т/год при питомих затратах енергії 0,189 кВт.год/т/год.

Комплекс машин, що складається з навантажувача ПНД - 250А з експериментальним забірно-змішуючим органом (І шт.), розкидувача ПРТ-7 з навісним модулем (І шт.) забезпечує приготування ґрунту для теплиць і компостів у відповідності з агротехнічними, екологічними і природоохоронними вимогами. Продуктивність комплексу машин на виготовленні компостних сумішей в годину змінного часу становить 32 тони.

Аналіз техніко-економічних і енергетичних показників запропонованої технології приготування компостних сумішей в польових умовах показав, що в порівнянні з базовою технологією розробленою ВІМ з використанням машин МПК-Ф-1 затрати праці на експлуатацію понизились на 19%, питомі експлуатаційні затрати понизились на 18,4%, питомі приведені затрати зменшились на 19,1%, продуктивність праці зросла на 24,7%, коефіцієнт загальних енергозатрат зменшився на 25,1%. Оцінка технології виконана з урахуванням поживної цінності компостів і грунтів, а також екологічних і природоохоронних вимог.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І ПРОПОЗИЦІЇ

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі підвищення якості приготування органічних добрив мобільними механізмами в польових умовах. Збільшити об’єми виробництва і поліпшити якість добрив дозволяє компостування в польових умовах усіх видів органічної сировини: гною, посліду, соломи, торфу, осадів міських стічних вод, сапропеля і ін.. Переробка, вказаних компонентів методом компостування забезпечує необхідні фізико-механічні, агротехнічні і санітарно-гігієнічні властивості добрив.

2. Базовою операцією в процесі приготування компостів є змішування вихідних компонентів. Від якості суміші, в кінцевому результаті, залежить якість компосту. Для вирішення цієї задачі використано принцип “частково-організованого” сумішоутворення.

Застосування повноцінних високоякісних добрив забезпечує відновлення родючості грунтів і стабільність урожаю сільськогосподарських культур.

3. В результаті аналізу технологій і засобів механізації приготування компостних сумішей встановлено відсутність високопродуктивних мобільних машин, які б дозволяли приготувати в польових умовах компостні суміші, що відповідають агротехнічним вимогам. Тому удосконалення технології приготування органічних добрив в польових умовах і розробка мобільного змішувача безперервної дії є актуальним завданням.

4. Напрям пошуку і програма дослідження технологічного процесу приготування сумішей в польових умовах, а також технологічні схеми механізмів для змішування визначені на основі аналізу комплексу операцій приготування органічних добрив.

5. Приготування високоякісних повнокомпонентних сумішей в польових умовах досягається шляхом пошарового укладання компонентів на майданчику технічними засобами з боковим викидом маси і подальшим домішуванням мобільним змішувачем безперервної дії. Це дозволяє, у порівнянні з існуючими технологіями, приготування компостних сумішей підвищити у 1,22 рази продуктивність, зменшити приведені затрати у 1,19 разів і в 1,5 рази витрату органічних наповнювачів, вирішити екологічні і природоохоронні проблеми.

6. Якість компостних сумішей при приготуванні їх в польових умовах визначається нерівномірністю розподілу компонентів і коефіцієнтом кореляційного зв’язку між випадковими значеннями концентрації розподілених мас. Якість суміші, що задовольняє агротехнічні вимоги, досягається при позитивному значенні коефіцієнтів кореляції.

7. Приготування компостних сумішей, що задовольняють агротехнічні вимоги, забезпечуються домішуванням маси пошарово укладеного бурта мобільним навантажувачем безперервної дії з допомогою забірно-змішуючого органу. Для опису динамічних властивостей забірно-змішуючих органів такого типу отримано математичний вираз передавальної функції (2.46). На основі цієї функції виведена залежність для одержання згладжувальної здатності робочого органу (2.57). Постійна часу розробленого змішуючого органу будь-якого типорозміру може бути визначена по емпіричній формулі (3.35).

8. Оптимальними параметрами забірно-змішуючого органу, що забезпечують приготування компостних сумішей, які задовольняють агротехнічні вимоги, є: частота обертання лопатевих фрезеруючих валів і стрічкової гвинтової фрези 80…90 хв-1 (при діаметрі лопатевих валів 450 мм і стрічкової гвинтової фрези 900 мм); швидкість подачі забірно-змішуючого органу 0,125 км/год і коефіцієнт заповнення змішувальної камери 0,4…0,45. Загальна нерівномірність отриманої суміші, обумовлена змішувальною і згладжувальною здатностями забірно-змішувального органу, склала 7,1…8,9%, що менше допустимого значення.

9. Розроблений комплекс машин, що забезпечує подрібнення, дозування, розподіл компонентів та їх змішування, формує бурти трапецеподібного вигляду та виконує періодичну аерацію їх для насичення киснем при природних ущільненнях. Це забезпечує розігрівання торфогноєвої суміші до температури більше 60 0С та часткове розкладання органічних речовин (на 20%).

10. Результати досліджень і одержані аналітичні залежності можуть бути використані науковими і проектними організаціями при розробці і виготовленні мобільних змішувачів - навантажувачів безперервної дії удосконалених конструкцій.

11. За результатами досліджень розроблено "Вихідні вимоги на комплект обладнання для пошарового приготування тепличних ґрунтів", рекомендованих Укрплодовочепромом для впровадження в овочівництві і затверджених Міністерством сільського господарства України.

Для широкого впровадження рекомендується технологія приготування органічних добрив пошаровим способом мобільним комплексом машин в польових умовах. Застосування рекомендованої технології, у порівнянні з базовими, дозволить знизити енергетичні затрати на 25,1%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Анотація

Вітрух І.П. Обгрунтування технологічного процесу приготування органічних добрив у польових умовах і параметрів забірно-змішуючого органа мобільного навантажувача безперервної дії. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь, 2001.

У дисертаційній роботі представлені наукові дослідження, які направлені на наукове обґрунтування технологічного процесу приготування органічних добрив у польових умовах мобільними механізмами, та розробку засобів для його реалізації, з метою підвищення якості компостів. На основі аналізу сучасних технологій приготування сумішей і змішувальних механізмів, розроблено технологічну схему приготування компостних сумішей за “частково-організованим” принципом сумішоутворення.

Наведено результати теоретичних і експериментальних досліджень на основі яких обґрунтовано конструктивну схему, визначено раціональні параметри та режими роботи забірно-змішувального механізму мобільного навантажувача безперервної дії. Визначено технологічні параметри пошарового формування бурта розкидачем з боковим викидом технологічної маси. Встановлено основні фактори які впливають на якісні показники компостних сумішей. Розроблені “Вихідні вимоги на комплект обладнання для пошарового приготування тепличних ґрунтів” затверджені міністерством сільського господарства України. Наведено результати техніко-економічної і енергетичної оцінки. Виробнича перевірка технологічного процесу і механізмів підтвердила перспективність вибраного напряму досліджень.

Ключові слова: компост, суміш, “частково-організований” принцип, забірно-змішуючий орган, бурт, раціональні параметри і режими, якість змішування.

Аннотация

Витрух И.П. Обоснование технологического процесса приготовления органических удобрений в полевых условиях и параметров заборно-смешивающего органа мобильного погрузчика непрерывного действия. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Таврическая государственная агротехническая академия, Мелитополь, 2001.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки новых технологического процесса и рабочих органов к навозоразбрасывателю и погрузчику непрерывного действия для приготовления компостных смесей в полевых условиях за частично-организованным принципом смесеобразования. В работе проанализированы, с позиции теории смешивания, разные технологические схемы и конструкции смешивающих устройств. Обобщены основные требования к смесителю органических удобрений непрерывного действия.

Приведены цель и задачи исследований, предусматривающие повышение качества приготовления компостной смеси с одновременным решением экологических и природоохранных задач. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смесеобразования за “частично-организованым” принципом и работы заборно-смешивающего органа погрузчика непрерывного действия. Системой дифференциальных уравнений описано движение порции материала по поверхности лопасти и после схождения с неё. Составлена математическая модель процесса непрерывного смешивания мобильным смесителем непрерывного действия. Получено уравнение для определения дисперсии выходного потока смеси при известных статистических характеристиках исходных компонентов и постоянной времени смесителя, что дает возможность определить влияние конструктивных, кинематических и технологических параметров на качественные показатели процесса.

В работе представлены результаты экспериментальных исследований по определению динамических характеристик внутренней смешивающей и сглаживающей способности заборно-смешивающего органа погрузчика-смесителя непрерывного действия. При этом использованы методы физического моделирования и математического планирования эксперимента. Представлены результаты экспериментальных исследований процесса послойного формирования бурта мобильным агрегатом, физико-механических и агротехнических свойств исходных компонентов смеси и готовых компостов. Приведены результаты экспериментальных исследований конструктивных и технологических параметров работы заборно-смешивающего органа.

На основе обработки экспериментальных данных получены регрессионные зависимости по которым установлено степень влияния факторов на качественные показатели смеси. Проведена производственная проверка, разработанного на основании полученных результатов исследований, технологического процесса и мобильных средств механизации приготовления компостной смеси в полевых условиях в нескольких сельскохозяйственных предприятиях. Производственная проверка технологического процесса и средств механизации показали простоту и надёжность процесса и работы механизмов, обеспечивающих необходимое качество приготовления смесей. Разработаны “Исходные требования на комплект оборудования для послойного приготовления тепличных почв”, утверждённые Министерством сельского хозяйства Украины. Приведены результаты технико-экономической и энергетической оценки.

Ключевые слова: компост, смесь, “частично-организованый” принцип, заборно-смешивающий орган, бурт, рациональные параметры и режимы, качество смешивания.

Annotation

Vitrukh I.P. Production Argumentation of the Field Conditions Manure Preparation and Parameters of Intake and Mixing Body of the Interrupted Operation Mobil Loader. – Manuscript.

Thesis for the Scientific Degree if Candidate of Technical Sciences. Speciality 05.05.11. – Machines and Means of Mechanization of Agricultural Production.-Tavriya State Agrotechnical Academy, Melitopol, 2001.

The paper presents scientific analysis directed at the scientific argumentation of the field conditions manure preparation by the mobil mechanisms as well as development of the means of its realization to increase the compost quality. On the basis of modern mixtures and mixing mechanisms production one has developed the production plan of the compost mixtures preparation according to the “partly organized” principle of mixture creation.

One has given the results of theoretical and experimental research proving the structural scheme and defining rational parameters and conditions of operations of intake and mixing mechanism of the interrupted operation mobil loader. One has defined production parameters of layer-by-layer clampt formation by the spreader with the lateral escape of production mass. One has established the basic factors affecting the qualitive parameters of compost mixtures. One has developed the outgoing requirements for the complect of equipment for the layer-by-layer preparation of the hothouse soils paraphed by the Ministry of agriculture of Ukraine. One has given the results of technical, economic and power estimation.

The production control of technological process and mechanisms confirmed perspectives of the chosen direction of research.

Key words: compost, mixture, “partly organized” principle, intake and mixing body, clampt, rational parameters and conditions, mixing quality.

Підписано до друку 20.09.2001 р. Зам. № 68

Формат 60х84 1/16. Обсяг 0,9 авт.арк. Тираж 120 прим.

Віддруковано в Таврійській державній агротехнічній академії.

Адреса: 72312, Україна, Запорізька обл., м. Мелітополь,

пр-т Б.Хмельницького, 18