автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование способа и средств механизации удаления отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания трактора при раздаче кормов в животноводческом помещении

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Факторы, определяющие микроклимат в животноводческом помещении и их влияние на продуктивность животных.

1.2. Особенности загрязнения воздушной среды животноводческих помещений при раздаче кормов тракторными мобильными кормораздатчиками.

1.3. Анализ способов и средств обеспечения требуемого воздухообмена в животноводческом помещении.

1.4. Анализ способов и локальных средств механизации для устранения влияния токсичных веществ отработавших газов дизеля на обслуживающий персонал и животных.

1.5. Постановка проблемы, цель работы и задачи научного исследования

2. Экспериментальное определение состояния микроклимата в коровни

2.1. Программа и методика исследований.

2.2. Результаты измерений параметров микроклимата в коровнике во время раздачи кормов.

2.3. Результаты измерения параметров микроклимата в коровнике после раздачи кормов.

Выводы.

3. Теоретические предпосылки к созданию системы отвода отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания трактора в период раздачи кормов в животноводческом помещении.

3.1. Конструктивно-технологическая схема устройства для удаления отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания.

3.2. Определение количества отработавших газов двигателя внутреннего сгорания трактора при раздаче кормов в коровнике.

3.3. Обоснование конструктивных параметров устройства.

3.3.1. Определение внутреннего диаметра и массы газоотводящего воздуховода

3.3.2. Расчет конструктивных параметров деталей крепления газоотводящего воздуховода к стенам и потолку животноводческого помещения

3.4. Расчет усилия и мощности на перемещение газоприемной каретки

3.4.1. Расчет усилия и мощности на перемещение газоприемной каретки из условия скольжения ее поверхности по поверхности газоотводящего воздуховода.

3.4.2. Расчет усилия и мощности на перемещение газоприемной каретки, оснащенной роликами.

3.5. Определение производительности и необходимого напора вентилятора

Выводы.

4. Лабораторные исследования системы отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания трактора.

4.1. Программа исследований.

4.2. Определение коэффициентов трения сталь-материал уплотнитель-ных элементов и сталь-материал газоотводящего воздуховода.

4.2.1. Методика обработки данных, полученных в результате опытов по определению коэффициентов трения.

4.2.2. Определение коэффициентов трения.

4.3. Методика определения влияния технологических и конструктивных факторов процесса удаления ОГ на силу тяги для перемещения газоприемной каретки по газоотводящему воздуховоду.

4.3.1. Методика проверки однородности дисперсии при обработке опытных данных.

4.3.2. Методика проведения регрессионного анализа.

4.4. Методика определения коэффициента подсоса воздуха через зазоры в устройстве для удаления отработавших газов.

4.4.1. Определение коэффициента подсоса воздуха.

4.4.2. Методика статистической обработки результатов опытов.

4.5. Результаты опытов.

4.5.1. Результаты опытов по определению коэффициентов трения сталь -материал уплотнительных элементов и сталь - материал газоотво-дящего воздуховода.

4.5.2. Результаты эксперимента по определению влияния технологических и конструктивных факторов на процесс перемещения газоприемной каретки по газоотводящему воздуховоду.

4.5.3. Результаты опытов по определению коэффициента подсоса воздуха через зазоры в устройстве для удаления отработавших газов.

Выводы.

5. Производственная проверка работоспособности системы отвода отработавших газов и экономический эффект от ее внедрения.

5.1. Производственная проверка работоспособности системы отвода ОГ

5.1.1. Программа и методика проверки.

5.1.2. Результаты проверки работоспособности системы отвода ОГ.

5.2. Определение экономического эффекта от внедрения в коровнике устройства для удаления отработавших газов.

Выводы.

На данный момент сельское хозяйство в нашей стране, и в частности животноводство, является отраслью рискованных капитальных вложений, то есть становится инвестиционно непривлекательным. В таких условиях хозяйства всех форм собственности для своего устойчивого существования и обеспечения себя материальными ресурсами должны изыскивать внутренние резервы. Одним из источников материальных ресурсов в сельском хозяйстве является увеличение производства животноводческой продукции, так как рынок из-за ценовой привлекательности отечественных товаров постепенно отказывается от импорта. Для того, чтобы увеличить производство животноводческой продукции, необходимо:

- создать прочную кормовую базу;

- улучшить условия содержания животных;

- улучшать породность животных.

Эти пути увеличения производства продукции животноводства требуют дополнительных средств, поэтому первоначально необходимо выбрать такой путь, где вложение дополнительных средств было бы минимальным. Таким путем является улучшение условий содержания животных при существующей кормовой базе и породности животных, так как он требует наименьших затрат. В настоящее время в большинстве производственных помещений параметры микроклимата значительно отклоняются от уровней, установленных зоотехническими и санитарными требованиями, что приводит к ухудшению здоровья обслуживающего персонала и животных, а следовательно, к снижению работоспособности людей и продуктивности животных. Все это ведет к большим материальным потерям, и в конечном счете, к снижению эффективности животноводства.

Во многих хозяйствах задача механизированной раздачи кормов решена при помощи мобильных кормораздатчиков, агрегатируемых с тракторами. Многочисленными исследованиями [1, 2, 3] установлено, что в помещениях ограниченного объема, какими являются животноводческие комплексы, даже после непродолжительного времени работы двигателя трактора содержание токсичных составляющих отработанных газов в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации в несколько раз, несмотря на хороший воздухообмен. Это сказывается на здоровье людей и животных, а следовательно, на качестве и количестве произведенной продукции животноводства; так, превышение предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе животноводческого помещения может привести к снижению продуктивности животных на 20-30 % [4, 5].

Удаление отработавших газов обеспечивает создание нормальных условий труда для людей, хорошее развитие животных, увеличивает срок службы зданий и сооружений, что в конечном итоге приводит к сокращению потерь рабочего времени, повышению продуктивности животных, снижению эксплуатационных затрат на содержание зданий и сооружений. Все, предложенное выше, может сделать продукцию животноводства более высокорентабельной, так как себестоимость производимой продукции при этом будет ниже. Большинство работ [3, 6-19] по уменьшению вредного влияния отработавших газов в помещениях ограниченного объема посвящены снижению токсичности отработавших газов и практически отсутствуют работы по удалению отработавших газов от двигателя трактора. Удаление газов из животноводческих помещений может быть реализовано путем оборудования их более мощной механической вентиляцией (если она уже имелась) или замены естественной вентиляции на искусственную, но это требует дополнительных капитальных вложений, а также возможно возникновение сквозняков, ведущих к простудным заболеваниям. Другим путем решения задачи по удалению отработавших газов от двигателя трактора может явиться создание устройства по отводу газов непосредственно от двигателя, что требует меньших затрат, чем создание механической вентиляции для обеспечения необходимого воздухообмена в животноводческом помещении. В связи с этим целью настоящей диссертационной работы является улучшение условий труда обслуживающего персонала и условий содержания сельскохозяйственных животных путем разработки технологии и технических средств удаления отработавших газов в коровнике при раздаче кормов мобильными тракторными кормораздатчиками.

Народохозяйственное значение диссертационной работы заключается в том, что разработанное средство механизации позволяет улучшить условия содержания животных и труда людей путем устранения влияния на них токсичных составляющих отработавших газов. Тем самым сохраняется здоровье животных и повышается их продуктивность.

Основные полученные результаты данной работы:

- изучено состояние воздушной среды животноводческого помещения до и после раздачи кормов мобильным тракторным кормораздатчиком.

- разработана система отвода отработавших газов (ОГ) от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) трактора, основные конструктивные параметры и режимы работы которой обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями.

- определены физико-механические свойства материалов (коэффициенты трения), влияющие на динамику процесса перемещения газоприемной каретки по газоотводящему воздуховоду.

- определены затраты работы на функционирование системы отвода отработанных газов.

- разработана методика расчета основных параметров системы отвода отработавших газов и подбора вентилятора, обеспечивающего нормальное ее функционирование.

На защиту выносятся:

- модель функционирования системы отвода ОГ от ДВС трактора при работе в животноводческом помещении;

- конструктивные и технологические параметры системы отвода ОГ;

- физико-механические свойства материалов, из которых изготовлена система отвода ОГ; 8

- методика расчета основных параметров системы отвода ОГ.

Автор выражает благодарность и глубокую признательность научным руководителям: доктору технических наук, профессору Некрашевичу В.Ф. и доктору технических наук, профессору Ксендзову В.А., а также сотрудникам кафедр "Механизация животноводства", "Эксплуатация машинно-тракторного парка", "Экономическая кибернетика", "Электротехника, электрооборудование и автоматика" за помощь, оказанную при выполнении данной работы.

Общие выводы и предложения производству

На основании исследований системы отвода отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания трактора при раздаче кормов в коровнике на 120 голов, с объемом помещения 3402 м при естественной вытяжной вентиляции можно сделать следующие выводы и предложения производству.

1. Установлено, что при раздаче кормов в коровнике тракторным кормораздатчиком значительно возрастает концентрация вредных веществ отработавших газов, которая превышает предельно допустимую концентрацию по оксидам азота в 6,40, аммиаку - 1,18, сероводороду - 92,50, формальдегиду - 1,60, оксиду углерода - 1,10, сумме углеводородов - 15,15 раза. Спустя 0,5 часа естественной вентиляции концентрация отработавших газов снижается незначительно и спустя 2 часа она превышает предельно допустимую концентрацию по аммиаку в 1,70, сероводороду - 39,80, формальдегиду - 1,3 и сумме углеводородов - 11,63 раза, что свидетельствует о недостаточности обеспечения естественной вентиляцией необходимого воздухообмена и необходимости отвода отработавших газов за пределы коровника.

2. Система для отвода ОГ от ДВС при работе трактора в животноводческом помещении должна содержать расположенный на необходимой высоте вдоль кормового прохода газоотводящий воздуховод с расширенной приемной частью для захода газоприемной каретки, надетой на выхлопной патрубок трактора, герметизирующую заслонку и вентилятор для удаления газов в его конце, а в нижней части - прорезь с уплотнительными элементами для исключения подсоса воздуха из помещения. Газоотводящий воздуховод необходимо крепить на подвесках и подпружиненных растяжках, а газоприемную каретку устанавливать также подпружиненной для компенсации отклонения от прямолинейного движения трактора в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

3. Количество ОГ рассчитывать в зависимости от расхода топлива на холостом и рабочем ходу трактора с учетом загрузки двигателя, определяемой по затратам мощности на передвижение трактора и кормораздатчика, а вентилятор для удаления ОГ необходимо выбирать с учетом их объема, а также с учетом напора вентилятора, определяемого суммарными потерями на трение и преодоление местных сопротивлений в газоотводящем воздуховоде и газоприемной каретке.

4. В качестве материала газоотводящего воздуховода рекомендуется использовать поливинилхлоридовую трубу диаметром 0,145 м с коэффициентом трения по остальной каретке 0,207, а уплотнительных элементов -прорезиненную ленту с коэффициентом трения 0,360 по стали. При этом минимальное значение силы тяги 16,14 Н достигается при силе тяжести газоприемной каретки, равной 78,48 Н, и скорости перемещения - 0,72 м/с.

5. Выбор вентилятора для удаления ОГ двигателя трактора через предложенную систему отвода необходимо осуществлять с учетом коэффициента подсоса воздуха через зазор между газоотводящим воздуховодом и газоприемной кареткой. Установлено, что коэффициент подсоса воздуха из помещения для газоотводящего воздуховода с внутренним диаметром 0,145 ми диаметром газоприемной каретки 0,130 м, составляет 0,166 при скорости воздушного потока в газоотводящем воздуховоде не менее 2,31 м/с, обеспечивающей необходимого разряжения.

6. Производственная проверка показала, что предложенный способ и средство механизации для удаления из помещений ОГ ДВС трактора работоспособны и обеспечивают удаление 98-99 % вредных веществ продуктов сгорания топлива, что позволяет предотвратить общегодовой экономический ущерб в размере 613070 руб. при работе системы в коровнике на 120 голов, размещенных в помещении объемом 3402 м3 с естественной вентиляцией и обслуживающим персоналом 6 человек.

1. Плященко С.И., Хохлова И.И. Микроклимат и продуктивность животных. -Л.: Колос, 1976.-208 с.

2. Судаченко В.Н. и др. Механизация и автоматизация работ в защищенном грунте. Л.: Колос, 1982. - 223 с.

3. Ванцов В.И. Обоснование и разработка комплекса мероприятий по нормализации атмосферы теплиц в процессе использования в них средств механизации. Дис. канд. техн. наук. Рязань, 1990.

4. Зайцев A.M., Жильцов В.И., Шавров Л.В. Микроклимат животноводческих помещений. М.: Агропромиздат, 1986. - 191 с.

5. Мотес Э. Микроклимат животноводческих помещений. Пер. с немец. М.: Колос, 1976. - 190 с.

6. Лиханов В.А., Крутов А.И., Сайкин A.M. Снижение токсичности дизеля при подаче топлива на впуске. // В кн.: Вопросы теории, эксплуатации и ремонта МТП. Пермь, 1980. - С. 163-166.

7. Лиханов В.А. Влияние подачи легкого топлива на впуске на показатели рабочего процесса, на токсичность ОГ дизеля воздушного охлаждения // В кн.: Повышение эффективности работы тракторов. Пермь, 1983. - С. 13-20.

8. Анфимов В.М., Волокитин В.А., Жегалин О.И. и др. Пути снижения дым-ности и токсичности отработавших газов дизелей / Обзорная информация серии "Тракторы и двигатели", 1982, № 8. 60 с.

9. Звонов В.А., Боженок Е.И. Анализ путей уменьшения токсичности дизелей. // В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. Харьков: Выща школа, вып. 24, 1976.-С. 115-124.

10. Звонов В.А., Фурса В.В., Солодовник П.С. Исследование динамики образования токсичных веществ в цилиндре дизеля. // В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. Харьков, ХГУ, 1975, вып. 21. - С. 17-25.

11. Альтман JI.B., Крутов А.И., Сайкин А.М. и др. Снижение дымности и токсичности ОГ тракторного дизеля Д-240. // Автомобильная промышленность, № 4, 1982. С. 15-16.

12. Мучешников H.A., Френкель А.И. Обобщенные зависимости влияния регулировок дизеля на его токсичность и экономические показатели. Автомобильная промышленность, №11, 1974. С. 18-20.

13. Малов Р.В. Снижение токсичности дизельного выпуска воздействием на рабочий процесс. Автомобильная промышленность, № 7, 1972. С. 5-6.

14. Лиханов В.А. Регулировка двигателя и токсичность. Сельский механизатор, № 1, 1979.-С. 23.

15. Либеров И.Е., Орлов Л.Я., Умеров В.М. Токсичность выхлопа дизельного двигателя, ее снижение. // В кн.: Совершенствование эксплуатационных качеств тракторов, автомобилей и двигателей. Горький, 1977. - С. 25-28.

16. Либеров И.Е., Орлов Л.Я. Некоторые особенности работы тракторного дизеля при двухфазной подаче топлива. / Труды Ряз. СХИ, 1972, т. 28. -С. 75-85.

17. Либеров И.Е. Методы снижения токсичности отработавших газов и автотракторных двигателей. / труды Ряз. СХИ, 1969. С. 14-15.

18. Либеров И.Е., Ванцов В.И. Улучшение смесеобразования в четырехтактном дизеле за счет оптимизации порции топлива при его двухфазной подаче. / Сб. научн. тр. Горький, 1986. - С. 62-66.

19. Либеров И.Е., Лунин Е.В., Митяев В.А., Крючков Е.А., Ванцов В.И. Топливный распределительный насос. A.c. № 1229411, 1986.

20. Нормы технологического проектирования ферм крупного рогатого скота. НТП сельского хозяйства. 72. М.: МСХ СССР, 1972. - 94 с.

21. Бронфман Л.И. Микроклимат помещений в промышленном производстве и птицеводстве. Кишинев: Штиинца, 1984. - 202 с.

22. Соловьев Н.С. Гигиена сельскохозяйственных животных. Л.: Колос, 1969.-С. 7-26.

23. Бьянка В. Микроклимат помещений и его влияние на животное // Сельское хозяйство за рубежом. Животноводство. 1971. - № 3. - С. 34.

24. Брагинец Н.В., Палишкин Д.А. Курсовое и дипломное проектирование по механизации животноводства. М.: Агропромиздат, 1991. - 191 с.

25. Согалович A.B., Сайкин A.M., Френкель А.И. Состав и токсичность отработавших газов двигателей, Материалы встречи специалистов. // Пути снижения загрязнения воздушного бассейна выбросами ДВС. М., 1985.

26. Демочка О.И., Соколов Ю.Я. Токсичность отработавших газов двигателя автотракторного типа и средства ее снижения. Обзорная информация ЦНИИТЭИ тракторсельмаш. М., 1974 г. - 53 с.

27. Беспамятов Г.П., Кротов Ю.А. предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. JL: Химия, 1985. - 528 с.

28. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. - 120 с.

29. Смайлис В.И. Малотоксичные двигатели. Л.: Машиностроение, 1972. -128 с.

30. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. - 200 с.

31. Этерман Е.М., Коузов П.А., Балакирева К.И. Сборник научных работ институтов охраны труда ВЦСПС, 1960, № 3, С. 107-116.

32. Фельдман Ю.Г. Гигиеническая оценка автотранспорта, как источника загрязнения атмосферного воздуха. М.: Медицина, 1975. - 160 с.

33. Бушуева К.А. Руководство по гигиене атмосферного воздуха. М., 1976.

34. Варшавский И.Л., Малов Р.В. Как обезвредить отработавшие газы автомобиля. М.: транспорт, 1968. - 127 с.

35. Звонов В.А., Дядин А.П. Исследование сажевыделения в цилиндре двигателя / научные труды УкрСХА, вып. 136, 1977. С. 77-82.

36. Шведов В.И. Естественная вентиляция в животноводческих помещениях. // Техника в сельском хозяйстве. 1975. - № 3. - С. 24-30.

37. Кондратьева М.М., Кельдюшева JI.H. Микроклимат на животноводческих фермах и комплексах. Алма-Ата: Кайнар, 1983. - 176 с.

38. Протопопов А.П. Вентиляция и тепловой баланс помещения для сельскохозяйственных животных. M.-JL, 1932. - С. 83.

39. Мурусидзе Д.Н. Установка для создания микроклимата животноводческих ферм. М.: Колос, 1979. - 327 с.

40. Байсаринов A.C. Совершенствование способа создания микроклимата в животноводческих помещениях с обоснованием размещения, параметров и режимов работы теплоаккумулирующего обогревателя. Дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. Рязань, 1990. - 257 с.

41. Новиков А.К., Захаров Ю.А., Емельянов В.П., Захаров Е.Г., Николаев В.И. Устройство для отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. A.c. 1719674, 1989.

42. Казаков Г.М., Игнатович B.C., Харитонов В.В. Устройство для выпуска отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ №2030602, 1989.

43. Уокер Г. Обновленные Скандинавы для любых дорог. Саг. Автомобиль, Май-Июнь, 1997. С. 22-23.

44. Крутов А. Мы отклонили закон о нейтрализаторах. Но владельцам экологически "грязных" автомобилей успокаиваться не стоит. Клаксон. № 9. -1998.-С. 3.

45. Ли В., Сахаров А.Л. Устройство для удаления отработавших газов автомобиля. A.c. 1127786, 1983.

46. Терещенко H.A., Левивина Б.Г., Мамашин В.Н. Устройство для удаления газов. A.c. № 699292, 1975.

47. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны".

48. Соловьева Т.В., Хрусталева В.А. Руководство по методам определения вредных веществ в атмосферном воздухе. М.: Медицина, 1974.

49. Быховская М.С. и др. Методы определения вредных веществ в воздухе. -М.: Медицина, 1968.

50. Методические указания. Выпуск X. М.: 1988.51. ГОСТ 18509-80.

51. Фере Н.Э. и др. Пособие по эксплуатации машинно-тракторного парка. -М.: Колос, 1978.-256 с.

52. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.

53. Беляев С.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. - 608 с.

54. Альтшуль А.Д., Кисилев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиз-дат, 1975. - 323 с.

55. Вентиляторы. Выпуск II. А6-49. Методические материалы для проектирования. Государственный проектный институт Сантехпроект. М., 1971. -135 с.

56. Сельскохозяйственная техника. Каталог. Часть II. ЦНИИТЭИ Госком-сельхозтехника СССР, 1982. 608 с.

57. Мельников Д.И. Тракторы. М.: Агропромиздат, 1990. - 367 с.

58. Белов П.М., Бурячко В.Р., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. М.: Воениздат, 1971. - 5122 с.

59. Енохович A.C. Справочник по физике и технике. М.: Просвещение, 1983.-225 с.

60. Колесник A.JL, Шиманский В.Г. Курсовое и дипломное проектирование. -М.: Колос, 1983. 320 с.

61. Горя B.C. Алгоритмы математической обработки результатов исследований. Кишинев: Мтиинца, 1987. - 12 с.

62. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Агропромиздат, 1985. -351 с.

63. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 279 с.134

64. Хакс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. М.: Мир, 1967.-406 с.

65. Голикова Т.И., Панченко Л.А., Фридман М.З. Каталог планов второго порядка. М.: Издательство МГУ, 1974. - Т. 1. Вып. 47. - 340 с.

66. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980 г. -166 с.

67. ГОСТ 11.003-71. Равномерно распределенные случайные числа.

68. Болынев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983.-416 с.

69. ГОСТ 11.004-74. Прикладная статистика. Правила для определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения.71. ГОСТ 12.1.014-79

70. Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательской и опытно-конструкторских работ, новой техники и рационализаторских предложений. М.: Колос, 1980. - 112 с.

71. Нормативы времени на работы по обслуживанию крупного рогатого скота. М.: Агропромиздат, 1989. - 144 с.

72. ГОСТ 2.105-95. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.135