автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология и комплекс машин для послойной разработки сапропеля на удобрения

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ Р [ Б (УНИВЕРСИТЕТ имени В. П. ГОРЯЧКИНА

1 б ПН Г"

На правах рукописи

МОРОЗОВ Владимир Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ И КОМПЛЕКС МАШИН ДЛЯ ПОСЛОЙНОЙ РАЗРАБОТКИ САПРОПЕЛЯ НА УДОБРЕНИЯ

(Для условий Северо-Западной зоны РФ)

Специальность 05.20.01 —Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва —

1994

Работа выполнена в Великолукском сельскохозяйственном' институте.

Научный консультант — заслуженный деятель науки РФ, академик академии аграрного образования РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор В. П. Спасов.

Официальные оппоненты:

академик АТ РФ, доктор технических наук, профессор Н. В. Лукин; доктор технических наук, профессор В. С. Казаков; доктор технических наук, профессор1 В. Н. Винокуров.

Ведущая организация — Псковский научно-исследовательский институт сельского хозяйства.

Защита состоится » ¡995 г в /3

часов на заседании диссертационного совета Д 120.12.02 в Московском государственном агроинжеперном университете имени В. П. Горячкина.

Адрес: 127550, Москва, Тимирязевская ул., 58.

Ученый совет МГАУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАУ.

Автореферат разослан « > 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., доцент

В. В. СОЛДАТЕНКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем, которая стоит сегодня перед учеными-аграрниками, является поиск эффективных путей разработки сапропеля на удобрение с целью увеличения выпуска продукции растениеводства на основе повышения плодородия почвы. Чтобы повысить урожайность п ликвидировать дефицит гумуса в почвах Нечерноземной зоны России с низким естественным плодородием, требуется увеличить внесение органических удобрений на 40% к достигнутому уровню.

Одним из важнейших резервов местного органического сырья для производства удобрений являются богатейшие запасы озерных сапропелей. В многолетнюю практику промышленной разработки сапропеля положена идея его добычи с использованием земснарядов и грейферных экскаваторов с последующей переработкой технологическим оборудованием для заготовки торфа. Однако существующие технологии и средства механизации не являются оптимальными, имеют невысокие технико-экономические показатели, не удовлетворяют природоохранным требованиям и высококачественным агрохимическим оценкам удобрения, в результате в большинстве областей региона ресурсы сапропеля используются слабо. Поэтому повышение эффективности механизированного процесса разработки сапропеля с улучшением его качества и природоохранных показателей, в основе решения которой должны лежать новые прогрессивные технологии, имеет важное научное и народнохозяйственное значение.

Решению указанной проблемы посвящена диссертационная работа, выполненная автором в период 1985—1994 гг. в рамках координационных планов региональной научно-технической программы «Нечерноземье».

Цель работы. Научное обоснование послойной разработки сапропеля естественной влажности, создание методов расчета и выбора рабочих органов и технологических параметров и на этой основе разработать технологию и комплекс машин для послойной разработки сапропеля на удобрения, позволяющих существенно повысить эффективность производства, улучшить качество удобрений и охрану природной среды.

Задачи исследований. На основе анализа имеющихся исследований по проблеме механизированной разработки сапропеля на удобрение и исходя из поставленной цели намечены следующие задачи:

1. Изучить свойства сапропеля как источника органического сырья для производства удобрений и на основании комплексного подхода с выделением физико-механических, химических, микробиологических свойств залежи в качестве главных показателей обосновать послойную разработку сапропеля естественной влажности.

2. Изучить процесс взаимодействия сапропеля с различными конструкционными материалами, напорной гидравлической системой подачи, насосами различных типов и обосновать рабочие органы, позволяющие повысить эффективность технологических процессов, улучшить качество сапропеля и охрану окружающей среды.

3. Разработать теоретические основы, методы расчета и выбора конструктивных параметров шнекового нагнетателя и напорной гидравлической системы подачи для разработки сапропеля естественной влажности.

4. Выработать методологический подход снижения влажности и сушки сапропеля, улучшения его качества и обосновать параметры технологии.

5. Разработать технологию и комплекс машин для послойной разработки сапропеля естественной влажности на удобрения, провести апробацию в производственных условиях Северо-Западной зоны и дать агрономическую и технико-экономическую оценку.

Методика исследований. В соответствии с поставленными задачами, методикой предусматривалось проведение теоретических и экспериментальных исследований на основе системного подхода. Общие запасы, состав и свойства сапропеля определяли в соответствии с методическими указаниями.

В основу теоретических исследований положено математическое моделирование технологических процессов и условий работы рабочих органов, методы теоретической механики, основы гидравлики и гидро-газодинамики, дифференциального и интегрального исчисления. При проведении экспериментальных исследований использовались методы активного эксперимента с применением стандартных приемов вариационной статистики, а также методов стохастических автоматов и штрафных функций. Для изучения технологии проведена серия лабораторных опытов. Обработка результатов исследований проводилась с использованием стандартных и специально разработанных программ на базе компьютерной техники.

Научная новизна. При решении проблемы механизированного процесса разработки сапропеля впервые использован комплексный подход оценки эффективного использования сапропелевой залежи на удобрения и выбора рабочих органов с использованием результатов исследований физико-механических, агрохимических и микробиологических свойств залежи.

На основании современных требований к органическому сырью разработан методологический подход определения слоя залегания сапропеля на удобрение и научно обоснован новый способ послойной разработки сапропеля естественной влажности, в соответствии

с которым разработана технология и комплекс машин для производства удобрений. Выявлены условия протекания коррозионно-механического износа конструкционных материалов в среде сапропеля и получены уравнения регрессии, описывающие процесс.

Получены математические модели определения рабочих характеристик объемных и лопастных насосов, различных по форме проходных отверстий и установлено, что для подачи сапропеля естественной влажности целесообразно использовать шнековый нагнетатель и круглые проходные сечения в напорной гидравлической системе.

Определены физико-математические зависимости взаимодействия сапропеля естественной влажности с винтовыми поверхностями и обоснованы конструктивные параметры шнекового нагнетателя.

Разработаны методы расчета и получены математические зависимости и уравнения регрессии для определения напряжения сдвига и пластической вязкости сапропеля, снижения сопротивления движению сапропеля естественной влажности в напорной гидравлической системе подачи, определения параметров технологии и закономерностей процесса снижения влажности и сушки.

Выявлены рациональные органические добавки и определены технологические параметры повышения качества удобрения.

На защиту выносятся следующие научные положения:

— математические модели свойств залежи сапропеля, послужившие основой для разработки послойной технологии, конструирования рабочих органов шнекового нагнетателя, напорной гидравлической системы подачи и определения параметров технологических процессов;

• — теоретические основы разработки шнекового нагнетателя для подачи сапропеля естественной влажности, математические модели определения его конструктивных параметров и повышения эффективности напорной гидравлической системы подачи;

— методы комбинированного способа и выбор параметров снижения влажности и сушки сапропеля на площадке с глубоким объемным рыхлением;

— методологический подход к улучшению качества сапропелевых удобрений и совокупности математических моделей определения параметров технологии;

— технология и комплекс машин для послойной разработки сапропеля на удобрения, позволяющих увеличить выход продукции, улучшить качество удобрения и охрану окружающей среды.

Практическая ценность н реализация результатов исследований. Практическая ценность заключается в том, что в результате проведенных исследований получена возможность внедрения механизированной технологии послойной разработки сапропеля естественной влажности в производство, которая наиболее полно учитывает агрохимические, микробиологические и физико-механические свой-

2-3404

3

ства залежи сапропеля, что способствует существенному улучшению качества удобрений и охране окружающей среды.

Разработан и внедрен в производство шнековый нагнетатель для разработки сапропеля естественной влажности. Выявлены наиболее рациональные органические добавки и определены параметры технологии приготовления удобрения с утилизацией жидкого навоза. Подготовлены и утверждены областным НТС Управления сельского хозяйства рекомендации: «Разработка сапропеля естественной влажности на удобрения».

Разработанные методы расчета и определения конструктивных параметров рабочих органов, технологических режимов, физико-механических свойств, агрохимических и микробиологических характеристик сапропеля, снижения сопротивления движению могут использоваться в конструкторских организациях и научных учреждениях при создании и совершенствовании техники для разработки сапропеля, а также в высших и средних учебных заведениях при обучении студентов сельскохозяйственных специальностей.

Апробация работы. Материалы диссертации апробированы на расширенных заседаниях кафедры тракторов и сельхозмашин Великолукского СХИ (1988, 1990,. 1992, 1993 гг.) и кафедры почвоведения и механизации лесохозяйствеиных работ Московского ГЛТУ (1993 г.), а также докладывались и были одобрены на ежегодных научно-производственных конференциях Великолукского СХИ (1992, 1994 гг.), Псковского филиала Санкт-Петербургского ГТУ (1993 г.), Ярославского СХИ (1994 г.), Пензенского СХИ (1992, 1993 гг.), Московского ГЛТУ (1994 г.); на расширенном заседании Ассоциации вузов Северо-Запада России в Новгородском ПТИ (1991 г.); на совещании полномочных представителей Ассоциации вузов Северо-Запада России в Вологодском ПТИ (1992 г.); на заседании центра научного обеспечения Псковской области (1991, 1992 гг.); на НТС Псковского управления сельского хозяйства (1993 г.); на совещании по сапропелю ведущих специалистов и ученых из большинства регионов России в Главмелводхозе МСХ РФ (1992 г.); па первой Всероссийской научно-практической конференции по «Программе комплексных исследований сапропелей, производства и использования сапропелевой продукции в различных отраслях народного хозяйства», Москва (1993 г.); па международном семинаре ЮНЕСКО «Отходы сельскохозяйственного производства» (Москва, 1993 г.).

Отчеты по теме исследований ежегодно заслушивались на заседании кафедры тракторов и сельхозмашин, НТС Великолукского СХИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 34 печатные работы.

Объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 5 глав, выводов, заключения, списка литературы и приложения.

Общий объем диссертации составляет 347 страниц, в том чис-

ле 256 страниц основного машинописного текста, 24 таблицы, 56 рисунков, 3 схемы. Список литературы содержит 376 наименований, в том числе 24 иностранных. Приложение состоит из 26 таблиц на 49 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В общей характеристике работы обоснована актуальность темы, определена цель исследований, научная новизна, практическая ценность и реализация результатов исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор и анализ работ о сапропеле как поиродиам ресурсе органического сырья для производства удобрений, о влиянии его иа эффективность производства продукции растениеводства и свойств почвы. Также изложены технологии его разработки и существующие средства механизации.

Из обзора следует, что в озерах Нечерноземной зоны разведанные запасы сапропелем составляют 50 млрд. м3, которые содержат все питательные вещества, необходимые для растений. Правильно и хорошо подготовленные удобрения оказывают хороший эффект иа урожайность, поглощение почвенной кислотности, изменение агрегатного состава, водно-физических, химических и микробиологических свойств почвы. Наилучшие результаты получены при совместном использовании с навозом, органическими добавками и минеральными удобрениями. Поэтому, в естественном состоянии сапропель желательно рассматривать как сырье для производства удобрений и технология разработки должна включать операции улучшения качественных характеристик. Специфические условия формирования сапропеля приводят к образованию залежи с различными свойствами по глубине и не каждый слой удовлетворяет требованиям органического сырья. Для производства качественных удобрений необходимо вести послойную разработку залежи установленного качества.

Успешное решение проблемы механизированной разработки и повышения эффективности использования сапропеля возможно при комплексном подходе с учетом агрофизических свойств и охраны природной среды. Исследованиями М. 3. Лопатко, А. А. Цго-ниса, А. И. Фомина, Г. А. Евдокимовой, В. И. Сметанина, Б. Н. Хохлова, А. В. Смирнова, В. А. Нефедовой, А. Г. Дубовец, И. И. Лиштвана, А. С. Тораитова, Л. А. Каткевичюса и др. были выявлены агрохимические и физические свойства сапропеля, взаимодействие его с рабочими органами добывающих установок и влияние его на урожайность, качество продукции п плодородие .почвы.

Изучение различных технических средств и технологий для разработки сапропеля показало, что многолетняя исследовательская работа и конструирование различных вспомогательных устройств были заранее направлены на их привязку к выпускаемым промышленностью земснарядам и экскаваторам, которые не со-

2*

5

здают требуемых условий для разработки залежи сапропеля, повышения качества удобрений, природоохранных мероприятий и имеют низкие технико-экономические показатели.

Исследованиями И. В. Лукина, В. И. Хохлова, Э. Г. Кшконд-зера, Н. Н. Арефьева, С. А. Мосияша, Н. Ф. Должикова, Е. А. Кирдуна, П. Л. Кузьмицкова, Е. И.. Кузнецова и др. было установлено, что при существующих технологиях сапропель в залежи перемешивают и обводняют для обеспечения всасывающей способности насоса, затем пульпу перекачивают на берег и сразу же начинают длительный и дорогостоящий процесс ее обезвоживания, что приводит к разрыву технологического цикла во времени, занимаются значительные площади и в условиях Северо-Западной зоны РФ не всегда получают желаемый результат. Ими предложено, что наиболее благоприятные условия для производства удобрений можно получить при разработке сапропеля естественной влажности.

Однако, ими в основном рассматривалось взаимодействие сапропеля естественной влажности с рабочими органами насосов и гидравлической системой подачи. Изучалась биологическая сторона использования сапропеля и не рассматривались вопросы обоснования слоя разработки в залежи, технологические параметры снижения влажности и улучшения качества удобрений.

Состав и свойства сапропеля изучали Е. А. Виноградова, Н. В. Кордэ, Е. Л. Семенский, Е. М. Титов, Б. Я- Вимба, Н. А. Бракш, А. В. Смирнов, В. М. Игнатьев, Ф. А. Пунтус, Я. К. Крицлерс и др. Однако в их исследованиях были недостаточно учтены особенности формирования залежи сапропеля как источника органического сырья. Не доведены до адекватного описания свойства залежи, моделирование которых необходимо для определения параметров слоя разработки удовлетворяющего требованиям удобрений. Достаточно полно изучены вопросы взаимодействия сапропеля повышенной влажности с рабочими органами используемых насосов и гидравлической системы подачи, что нашло отражение в трудах Ю. Ф. Короткова, А. П. Пивоварова, Н. И. Бобина, А. П. Ляцко, И. В. Косаревича, В. П. Марченкова, В. П. Шохина, Е. К. Чабут-кина, А. И. Фомина, В. И. Сметанина.

Однако, в их исследованиях были недостаточно учтены особенности послойной разработки сапропеля естественной влажности и работы были направлены на интенсификацию технологических процессов существующих рабочих органов, что недостаточно для разработки новых. Кроме того, не полностью изучены закономерности истечения коллоидной массы через проходные сечения, взаимодействие с винтовыми поверхностями шнекового нагнетателя и напорной гидравлической системой подачи.

Много работ посвящено улучшению качественных характеристик сапропеля, но, в основном, они носят попутный характер исследований, не содержат конкретных рекомендаций по обоснованию технологических параметров и без проведения специальных

исследований использование для разработки больших объемов сапропеля не представляется возможным.

На основе анализа научного обеспечения, современного состояния и накопления производственного опыта установлено, что для разработки технологии и комплекса машин для послойной разработки сапропеля естественной влажности на удобрения необходимо дополнительно провести научные изыскания, для чего были сформулированы задачи исследований.

Во второй главе представлены основные показатели физико-механических, агрохимических, микробиологических свойств залежи, определение слоя разработки и технологических параметров улучшения качества сапропеля. Исследованиями установлено, что образование сапропелевых отложений и простирание кровли залежи внутри ландшафта зависит от типа водоема и топографических условий водосбора. Мощность пласта сапропеля в озерах выдержана в пределах от 4 до 9 метров с одноименным видом строения контура мощностью более 1 метра и образует технологический участок, эксплуатация которого экономически целесообразна. Фракции сапропеля от 3 до 1 мм содержат неразложившиеся растительные остатки, от 1 до 0,01 мм — неразложившиеся органические отложения и физический песок, фракции меньше 0,01 мм содержат неразложившиеся органические отложения и физическую глину.

Оценка экспериментальных данных показала, что важнейшие показатели сапропеля: влажность, зольность, дисперсность, уровень кислотности, содержание азота, серы, окиси кальция, железа, фосфора, количество микроорганизмов, характеризующие качество сапропелевого сырья для удобрений могут изменяться в залежи в широких пределах, ограничивая его применение.

Методом селекции моделей получены уравнения регрессии зависимости важнейших характеристик сапропеля от глубины залежи. Для повышения коэффициента использования удобрения, снижения затрат на его производство в соответствии с требованиями к сапропелевому сырью определены технологические параметры свойств сапропеля и глубины разработки залежи, движение рабочего органа в которых обеспечит высокое качество сапропеля (рис. 1).

Полученные результаты исследований коренным образом меняют казавшиеся очевидными представления о разработке залежи и открывают принципиально новые возможности для научного совершенствования технологии разработки сапропеля.

Установлено, что верхние слои залежи богаты микроорганизмами, но с увеличением глубины большинство их находятся в состоянии покоя. Особое значение имеет активизация микробиологической деятельности в сапропеле, что подтверждено достаточно обширным материалом.

Для улучшения свойств сапропеля определены наиболее эффективные органические добавки. Это — жидкий навоз крупного рогатого скота и свиней.

>

с.'о;

Сев

Р О,

г® 1

рК

з иг Н

'и-

3 .2

/ ,

р I-1

1 Нл

Рис. 1. Зависимость показателей сапропеля от глубины залежи и параметры ее разработки:

В-—СаО, —в— —А-—— 50,;

-/У , —С-рн, —&------ 3 , —я-М .

Получены уравнения регрессии показателей, характеризующих эффективность микробиологического и химического состава удобрения, и установлено, что улучшение свойств сапропеля не требует больших доз жидкого навоза и наиболее благоприятные условия проявляются при соотношении компонентов 10:1, влажности — 80%, положительных температурах хранения — 5. ..15° С в течение 1,5 месяца.

В третьей главе приведены методы моделирования технологических процессов разработки сапропеля па удобрение и результа-

ты экспериментальных и теоретических исследований обоснования рабочих органов и режимов работы. Выявлено, что для подачи сред густой консистенции с механическими и волокнистыми включениями растительных остатков целесообразно использовать объемные и динамические насосы. В результате многофакторных экспериментов получены уравнения регрессии зависимости напора, подачи, мощности при перекачивании сапропеля различной влажности. Установлено, что для подачи сапропеля естественной влажности эффективно использовать шиековый нагнетатель, рабочие

Рис. 2. Зависимость напора от влажности сапропеля и частоты вращения шнека

Получены математические модели истечения сапропеля естественной влажности через отверстия различной формы, позволяющие обосновать выбор круглого сечения проходных каналов в напорной гидравлической системе подачи и повысить надежность работы.

С учетом физико-математической модели взаимодействия сапропеля с винтовыми поверхностями и напорной гидравлической системой разработан алгоритм определения конструктивных параметров шнекового нагнетателя, который позволяет решать ряд важных задач определения частоты вращения, длины и шага шнека,

внутреннего диаметра корпуса, диаметра ступицы шнека и т. д. По расчетным данным разработана конструкция нагнетателя.

Установлено, что гранулометрический состав сапропеля при необоснованных режимах работы может оказывать влияние на кор-розионно-механический износ рабочих органов. Математическая модель износа показала, что наибольшее воздействие вызывает путь пробега, а скорость и влажность влияют избирательно. При длительном пребывании конструкционных материалов в среде сапропеля коррозионное разрушение визуально не наблюдается. Математическими моделями установлено, что незначительное уменьшение массы зависит от марки материала и влажности сапропеля, что обеспечивает подход к выбору коррозионно-механической стойкости конструкций и повышению надежности рабочих органов.

На основе проведения многофакторных экспериментов и взаимодействия сапропеля с рабочими поверхностями гидравлической системы подачи установлено, что магнитная обработка сапропеля при напряженности поля 7-103... 12-10; А/м обеспечивает образование промежуточного водяного слоя на границе раздела фаз и ослабление адгезионной связи, что приводит к увеличению подачи насоса на 20. ..22% и уменьшению потребляемой мощности на 5. ..7%. Воздействие электроосмоса увеличивает подачу на 9...12%' при оптимальных значениях напряжения тока 28,8 В и влажности сапропеля 78%.

Исследование снижения влажности фильтрованием в толстых слоях показало, что сапропель интенсивно отдает свободную влагу до. определенного предела, а затем процесс практически прекращается. Установлено, что зависимость коэффициента фильтрации от высоты слоя близка к линейной.

Получены математические модели снижения влажности испарением и установлено, что влажность изменяется с увеличением слоя и процесс протекает тем интенсивнее, чем ниже исходная влажность.

Получена математическая модель механического обезвоживания. Установлено, что при незначительном воздействии на сапропель происходит прессование фракций и нарушается фильтрование слоя. Дальнейшее увеличение нагрузок приводит к проходу через сита механических фракций и их залипаншо. Наилучший эффект достигается при давлении 0,008 МПа, размере ячеек сит 1,3 мм2, влажности сапропеля 94,5%.

В результате многофакторных экспериментов получены уравнения регрессии и установлено, что магнитная обработка сапропеля ускоряет естественный процесс снижения влажности более чем в два раза, и эффект сохраняется в течение суток. Воздействие электромагнитного поля носит избирательный характер и имеет максимум при энергии 12,5.Дж, напряженности поля 12-104 А/м и продолжительности омапшчивания 30 с.

Электрическое поле высокого напряжения также оказывает положительное влияние на снижение влажности и наилучший эффект

достигается при напряжении поля 995,1 кВ/м и длительности обработки 10 с. Электрофизические способы быстротечные, малоэнергоемкие и могут быть введены в непрерывную технологическую линию.

В четвертой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили разработать методы расчета и обосновать параметры шнекового нагнетателя и напорной гидравлической системы подачи сапропеля естественной влажности, изучить динамику протекания процессов и дать математическое описание условий их работы.

Для определения необходимых параметров рассмотрели движение частицы сапропеля, опирающуюся на винтовую поверхность при наклонном расположении оси шнека (рис. 3).

Сведя задачу к рассмотрению относительной и осевой скорости в результате математических преобразований и решения дифференциальных уравнений определили осевой напор, развиваемый нагнетателем:

Ог = r?D¿ (р g sin р — 4 (v* + т0) Г/* (£>,» - А2) +

+ РgT cos Р sin Ф IkD2) I (г-D* — Г), (1)

где q — плотность сапропеля, кг/м3;

g— ускорение свободного падения, м/с2;

т]п — пластическая вязкость, Па-с;

to — предельное напряжение сдвига, Па;

Ф — азимутальная координата, рад.

Установлено, что осевой напор существенно зависит от поперечных размеров нагнетателя, шага шнека, азимутальной координаты и меньше от угловой скорости вращения.

В результате математических преобразований для инженерных расчетов получена формула определения производительности:

(2)

где ¿=/?*a//?ia;

а\ — коэффициент, характеризующий взаимосвязь параметров заполненного сапропелем нагнетателя.

Выход сапропеля из нагнетателя осуществляется через боковое отверстие в корпусе, поэтому рабочее давление можно рассматривать как давление на корпус в месте расположения отверстия. Проинтегрировав уравнение осевой скорости по интервалу {Ri, Ra) и преобразовав математически полученное выражение, определили общее давление на корпус:

р = Рос + ^ W - Дs) - Оог - -i- Ж (Д - А) cos р х

X cos ® -f pg cos ¡3 /-i- (1 -fx) (Ds —D^cosO —fzsin®), (3)

Рис. 3. Силы и скорости, приложенные к материальной точке:

— сила тяжести элемента сапропеля, Н;

—>

Кпер — переносная скорость, м/с; II — относительная скорость, м/с; V — абсолютная скорость, м/с;

Рц — центробежная сила инерции, Н; >

Рк—корнолисова сила1 инерции, Н; Т — шаг шнека, м; Р — угол наклона оси шнека, рад.

где Р0с — давление на ступицу шнека, Па;

Y, % — коэффициенты, характеризующие взаимосвязь конструктивных параметров нагнетателя и физико-механических свойств сапропеля;

G0, q — величины, характеризующие показатели осевого градиента давления Па/м;

2 — осевая координата, м.

Из формулы (3) видно, что наибольшее значение на давление оказывает центробежное давление, представленное вторым членом, и угол наклона. Поэтому подачу сапропеля целесообразно осуществлять при горизонтальном положении насоса, поскольку в этом случае к большому центробежному давлению добавляется осевое, постоянная составляющая которого представлена третьим членом.

Рассмотрев составляющие давлений применительно к условиям работы, получили давление, развиваемое насосом при подаче сапропеля по напорной гидравлической системе:

р» = ■4" ТРщ2 W - W) - (р - Рв) gH - (G0 - ш sin Р) 2 +

+ \ Ш (0, - £>1) cos Р -f 4- Pff cos Р V & - k^ , (4)

где qb — плотность воды, кг/м3;

Н—глубина разработки залежи, м. Установлено, что при движении сапропеля естественной влажности в центральной части трубы образуется и движется пластическая пробка. Между стенкой трубы и границей пробки образуется пограничный слой:

Уп = 2т0/qp, (5)

где qP — градиент продольного давления, Па/м, (qp — AP/l); АР — перепад давления, Па;

I — длина пробки, м. С уменьшением скорости движения пробки и величины пограничного слоя вязкая оболочка пробки работает подобно слою жидкой смазки, увеличивая скорость движения. Производительность гидротранспорта равна:

±Х + ±Л (6)

8 V \ 3 3

где х = (7)

2? ОДР

с1а— диаметр пластической пробкн, м; 1> — диаметр трубы, м. Установлено, что производительность гидротранспорта повышается с ростом градиента давления, диаметр труб, с уменьшением паузейлевой вязкости и с использованием труб, не смачиваемых сапропелем.

При внешнем воздействии магнитным полем на сапропель вытесняемая влага на границе раздела фаз образует тонкий слой смазки и скорость пробки равна:

= + (8) 4г1п/ 4гу

где г]в — пластическая вязкость воды, Па-с; б — толщина смачивающего слоя воды, м; гп — радиус пластической пробки, м.

Установлено, что область поперечного магнитного поля является фактором постоянного смачивания внутренней поверхности трубопровода, что приводит к повышению эффективности напорной гидравлической системы подачи.

В результате математических преобразований формулы (6) получено уравнение четвертой степени:

XI4 — а12х1+&!2=0. (9)

графическое решение которого в совокупности с экспериментальными данными позволяет в нелабораторных условиях экспресс-,анализом определить напряжение сдвига и пластическую вязкость сапропеля.

В пятой главе разработаны технологическая схема послойной разработки сапропеля естественной влажности на удобрения и основные пути наиболее рационального выбора механизированных комплексов, обеспечивающих выполнение всех операций технологического цикла с учетом требований производства и охраны природной среды. Выделены три независимых комплекса: подготовительный, основной, заключительный и дано описание работ по циклам с указанием технических средств, технологических параметров и рабочих органов, созданных на основании проведенных исследований.

Разработана организация поточного производства механизированных работ. Исходя из объема производства удобрений и сроков приготовления, составлена технологическая карта производственных работ, обеспечивающая работу конвейера производства удобрений. Обоснован состав технических средств и обслуживающего персонала, обеспечивающих поточность выполнения технологических процессов. Разработаны требования оперативного контроля качества проводимых работ и отдельные рациональные варианты организации внедрения наиболее перспективных технологических процессов послойной разработки залежи, подачи сапропеля естественной влажности, улучшения качества и сушки. Результаты производственных испытаний позволили дать оценку надежности шнекового нагнетателя, напорной гидравлической системы подачи и внести коррективы в конструкцию. Установлено, что использование удобрения оказывает положительное влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур и микробиологическое состояние почвы.

Расчеты тбхннкб-экономической эффективности показали, что при внедрении в производство технологии производительность работ увеличивалась в 1,65 раза. Балансовая стоимость комплекса машин снизилась в 1,42 раза, металлоемкость в 1,35 раза, производственные затраты на 1 т удобрений в 2,12 раза. В результате послойной разработки сапропеля естественной влажности уменьшилась занятость площадей на 4,27 га и улучшились показатели охраны окружающей среды.

Выводы

1. На Северо-Западе РФ для повышения плодородия почвы и увеличения выпуска продукции растениеводства целесообразно использовать ресурсы сапропеля, которые при послойной разработке естественной влажности совместно с органическими добавками оказывают положительное влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур и микробиологическое состояние почвы.

2. Физико-механические свойства, агрохимические и микробиологические показатели, характеризующие качество сапропелевого сырья для удобрения, с увеличением глубины залежи изменяются в широких пределах: влажность от 93,4... 78,7%; органическое вещество от 68,2 ... 32,9% ; дисперсность от 0,86... 0,07; зольность от 31,8.., 67,Г%; окись кальция от 1,17 до 20,95%; фосфора от 0,25 до 0,18%; железа от 3,28 до 2,01%; азота от 2,72 до 1,85%; серы от 1,17 до 0,93%; кислотность от 6,88 до 5,94; количество микроорганизмов от 25,3 до 36 тыс./г. Фракции гранулометрического состава содержат от 3 до 1 мм, неразложившиеся растительные остатки от 1 до 0,01 мм, органические отложения и физический песок меньше 0,01 мм, неразложившиеся органические отложения и физическую глину.

В связи с этим для повышения коэффициента использования залежи, удобрения и снижения затрат на производство разработку сапропеля необходимо проводить послойно, установленного качества, естественной влажности.

3. При производстве сапропелевого удобрения для улучшения химических и микробиологических показателей целесообразно использовать органические добавки. При этом наилучшие свойства проявляются при использовании жидкого навоза крупного рогатого скота н свиней при соотношении сапропеля к навозу 10 : I, влажности — 80%, температуре — 5. ..13°С, сроке хранения—1,5 месяца.

4. Для подачи сапропеля густой консистенции влажностью 88—79% с механическими и волокнистыми включениями растительных остатков необходимо использовать шнековый нагнетатель, наилучшие рабочие параметры которого обеспечиваются при частоте вращения шнека—17,5 с-1; шаге — 0,18 м; длине шнека — 1,4 м; внутреннем диаметре корпуса—0,25 м; внешнем диаметре ступицы — 0,16 м.

5. При необоснованных режимах взаимодействия сапропеля с конструкционными материалами гранулометрический состав, влажность, скорость и путь пробега могут вызывать коррозионно-меха-нический износ стали СТ. 3 до 22,01 мг/см2-ч, наиболее благоприятные режимы работы при скорости 4,10... 4,70 м/с и влажности 76... 86%.

При длительном пребывании металла в среде сапропеля визуально следов коррозионного разрушения не наблюдается, лишь инструментальным путем установлено незначительное уменьшение массы: сталь 40Х — 0,048 г/см2, сталь 45 — 0,055 г/см2, сталь СТ. 3—0,074 г/см2.

6. Электрофизические воздействия на сапропель в гидравлической системе подачи на границе раздела фаз обеспечивают образование промежуточного водяного слоя и повышают ее эффективность. При напряженности магнитного поля 7-10;i... 12-10'* А/м подача насоса увеличивается на 20... 22%, с уменьшением потребляемой мощности на 5... 7%, при напряжении электроосмотического воздействия 28,8 В подача возрастает па 9... 12% с увеличением коэффициента электроосмоса на 16... 18%.

7. Установлено, что для интенсификации удаления свободной и связной воды из сапропеля целесообразно использовать фильтрование в грунт с коэффициентом фильтрации 7,4-10~5... 2,1 X X Ю-5 см/с, механическое воздействие при давлении 0,004... 0,01 МПа, размере ячеек сита 1,3 мм2 и влажности сапропеля 94,5%. Обработка сапропеля магнитным полем с энергией 12,5 Дж и напряженностью 12-104 А/м также ускоряет процесс обезвоживания более чем в 2 раза, а электроосматическое воздействие при плотности тока 10...15 А/м2 в течение 50 мин ускоряет процесс почти в 10 раз.

8. При разработке сапропеля на удобрение необходимо применять комбинированный способ снижения влажности с использованием электрофизического, механического и естественного процессов воздействия с технологическими параметрами: магнитной обработкой в течение 30 с, толщиной слоя расстила сапропеля 0,30... 0,35 м, фильтрованием влаги в грунт с объемным глубоким рыхлением на 0,5 м и естественной сушкой с щелеванием, рыхлением и фрезерованием массы.

9. При подаче сапропеля естественной влажности для повышения производительности гидротранспорта необходимо использовать трубы, не смачиваемые сапропелем, и уменьшать Паузейлевую вязкость. Область поперечного воздействия магнитного поля способствует смачиванию внутренней поверхности трубопровода свободной водой до 7,82% и на границе раздела фаз создает пленку воды толщиной до 7,5 мкм.

10. Разработан новый научный подход для определения значений физико-механических свойств сапропеля — предельного напряжения сдвига и пластической вязкости в совокупности с теорети-

ческнми и экспериментальными исследованиями течения сапропеля в напорной гидравлической системе.

11. Наиболее экономически целесообразным, является-способ послойной разработки сапропеля естественной влажности 88—79%. В этом случае металлоемкость технологического комплекса^машин снижается в 1,35 раза, энерговооруженность на одного среднегодового рабочего на 46,62 кВт, занятость площадей уменьшается на 4,28 га с улучшением показателей охраны окружающей- среды.

12. Использование технологии и комплекса машин для послойной разработки сапропеля на удобрения дает высокий экономический эффект. Выход продукции с единицы площади увеличивается в 1,65 раза с улучшением качества удобрения.

Производственные затраты окупаются за 0,5 года. Себестоимость 1 тонны удобрения составляет 1,44 рубля, а годовой экономический эффект от внедрения технологии составляет 47496 рублей (в ценах 1991 года).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации сформулирована и решена комплексная народнохозяйственная проблема изучения научных и практических основ, способствующих увеличению производства и улучшению качества органических удобрений с целью увеличения выпуска продукции растениеводства па основе повышения плодородия почвы. Такой новый комплексный подход дает принципиальную возможность * уже на стадии разработки научно обоснованного слоя залежи провести качественный н количественный анализ сапропелевого сырья, обосновать выбор рабочего органа и технологические процессы механизированного комплекса.

Наиболее важные результаты диссертационной работы образуют научную основу физико-механических свойств, агрохимических и микробиологических характеристик залежи. Разработанный комплексный инженерный подход к анализу залежи с учетом требований к сапропелевому сырью позволил впервые сформировать основные эффективные пути послойной разработки сапропеля естественной влажности на удобрение. Вопросы, рассмотренные в отдельных главах диссертации, охватывают наиболее важную и малоисследованную область взаимодействия сапропеля естественной влажности с винтовыми поверхностями, различными конструкционными материалами и напорной гидравлической системой подачи, что в совокупности составляет научные основы разработки рабочих органов и повышения надежности деталей и рабочих органов технологического комплекса машин для разработки сапропеля.

Сформулированы основные положения и разработаны теоретические основы увеличения производительности напорной гидравлической системы подачи, снижения влажности и сушки сапропеля естественной влажности, которые актуальны не только для машин

и оборудования разработки сапропеля, ио и для других видов сырья сельскохозяйственного производства.

Особое значение имеют исследования, проведенные в направлении улучшения качества сапропелевых удобрений и отдельные работы по оценке положительного эффекта их использования на рост и развитие сельскохозяйственных культур, улучшение микробиологического состояния почвы. В целом все материалы диссертации составляют этапы решения одной научно-технической проблемы совершенствования технологии и комплекса машин для послойной разработки сапропеля на удобрение. Решение этой проблемы базируется на новых научных, результатах, обоснованных теоретически и проверенных в производственных условиях. Все это свидетельствует о целесообразности более широкого внедрения предлагаемой технологии в сельскохозяйственное производство для повышения плодородия:почвы Нечерноземной зоны Российской Федерации.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Морозов В. В., Смирнова Л. М., Иванов Д. В. Агрохимическая характеристика сапропеля. — Материалы XXX научно-практической конференции «Научные разработки и передовой опыт — производству Псковской области», В. Луки, 1992, с. 83—84.

2. Макарова Г. В., Морозов В. В. Обезвоживание сапропеля электрической коагуляцией. — Материалы XXX научно-практической конференции «Научные разработки и передовой опыт — производству Псковской области», В. Луки, 1992, с. 82—83.

3. Волошин Ю. И., Морозов В. В, Динамика движения сапропеля в шнеко-вом нагнетателе. — Материалы XXX научно-практической конференции «Научные разработки и передовой опыт — производству Псковской области», В. Луки, 1992, с. 101—102.

4. Морозов В, В., Фомин В, Н. Оптимизация шнекового насоса при транспортировке сапропеля. — Псков, ЦНТИ, 1992, № 175. — 2 с.

5. Морозов В. В., Фомин В. 11. Использование центробежных насосов для добычи сапропеля. — Мелиорация и водное хозяйство, 1993, № 3, с. 19.

6. Морозов В. В., Сазыкова С. Л. Трансформирование сапропеля органическими удобрениями. — Земледелие, 1993, № 3, с. 26.

7. Морозов В. В., Фомин В. Н. Обезвоживание сапропеля магнитной обработкой.— Техника в сельском хозяйстве, 1993, № 5—б, с. 31.

8. Морозов В. В, Резервы Псковского края.—Проблемы региональной экономики Пскова. Псков, 1993, с. 14.

9. Сазыкова С. П., Морозов В. В. Микробиологическое состояние сапропеля в озерах. — Проблемы региональной экономики Пскова. Псков, 1993, с. 15.

10. Макарова Г. В., Морозов В. В. Обезвоживание сапропеля элек'троосмо-сом. — Проблемы региональной экономики Пскова. Псков, 1993, с. 16.

11. Волошин 10. И., Морозов В. В. Сопротивление течения сапропеля в трубах.— Проблемы региональной экономики Пскова. Псков, 1993, с. 17.

12. Морозов В. В., Катченков Н. С. Сапропель — преобразователь ржавчины,—Псков, ЦНТИ, 1993, №5.-2 с.

13. Морозов В. В. Природоохранная технология очистки озер. — Экология и здоровье, Пенза, 1993, с. 43—45.

14. Морозов В. В., Фомин В. Н. Обезвоживание сапропеля способом магнитной обработки. — Псков, ЦНТИ, 1993, № 10,—2 с.

15. Морозов В. В., Волошин ¡О. И. Критерий перехода ламинарного режима течения сапропеля по трубе в турбулентный. — Псков, ЦНТИ, 1993, № 12,— 3 с.

16. Морозов В. В. Влияние добычи сапропеля на эвтрофию озер. — Проблемы экологии в сельском хозяйстве. — Часть II, Пенза, 1993, с. 14—16.

17. Морозов В. В., Милохш В. К■ Механическое обезвоживание сапропеля,—Псков, ЦНТИ, 1993, № 214.-2 с.

18. Морозов В. В., Сазыкова С. П. Обогащение сапропеля органическими добавками. — Псков, ЦНТИ, 1993, № 215.—2 с.

19. Спасов В. П., Морозов В. В. Улучшение качества сапропелевого удобрения. — Научн. тр./1-й Всероссийской научн.-практ. конференции «Комплексные исследования сапропелей, производства и использования сапропелевой продукции в различных отраслях народного хозяйства». — М.: Интерлист, 1994, с. 115— П7.

20. Морозов В. В. Снижение сопротивления движению сапропеля. — Науч. тр./1-й Всероссийской научн.-практ. конференции «Комплексные исследования сапропелей, производства и использования сапропелевой продукции в различных отраслях народного хозяйства». — М., Интерлист, 1994, с. 121—123.

21. Катченков С. А., Морозов В. В., Милохин В. К. Эрозионный износ материалов в среде сапропеля. — Материалы XXXI научно-практической конференции «Наука и передовой опыт в сельскохозяйственное производство и учебный процесс».—В. Луки, 1994, с. 132—133.

22. Морозов В. В., Волошин Ю. И., Макарова Г. В. Повышение эффективности" гидротранспорта.— Материалы XXXI научно-практической конференции «Наука и передовой опыт в сельскохозяйственное производство и учебный процесс», В. Луки, 1994, с. 135—136.

23. Морозов В. В., Фомин В. И. Влияние электромагнитной обработки сапропеля па эффективность работы насоса.—Материалы XXXI научно-практической конференции «Наука и передовой опыт в сельскохозяйственное производство п учебный процесс», В. Луки, 1994, с. 133—135.

24. Морозов В. В, Разработка сапропеля на удобрение. — Материалы XXXI научно-практической конференции «Наука и передовой опыт в сельскохозяйственное производство н учебный процесс», В. Луки, 1994, с, 128—129.

25. Сазыкова С. П., Морозов В. В. Трансформирование сапропеля органическими удобрениями.—Материалы XXXI научно-практической конференции «Наука и передовой опыт в сельскохозяйственное производство и учебный процесс»,' В. Луки, 1994, с. 19—20.

26. Морозов В. В. Улучшение технологии разработки сапропеля.—Псков, ЦНТИ, 1994, № 94. — 2 с.

27. Волошин 10. И., Морозов В. В., Милохин В, К. Определение сопротивления движению установки для добычи сапропеля. — Псков, ЦНТИ, 1994, № 95.— 3 с.

28. Морозов В. В. Влияние сапропеля на коррозию конструкционных материалов.— Техника в сельском хозяйстве, 1994, № 4, с. 32.

29. Морозов В. В. Обоснование послойной экскавации сапропеля. — Науч. тр./Ярославского СХИ. — Ярославль, 1994, с. 28—29.

30. Морозов В. В., Фомин В. Н. Применение электроосмоса для повышения эффективности гидротранспорта сапропеля. — Науч. тр./Ярославского СХИ.— Ярославль, 1994,—с. 43—44.

31. Морозов В. В. Производство сапропелевых удобрений. — Псков ЦНТИ 1994, № 99, —2 с.

32. Морозов В. В., Фомин В. Н„ Милохин В. К. Повышение эффективности

работы насосов при транспортировке сапропеля. — Псков, ЦНТИ, 1994 № 100 _

2 с.

33. Морозов В. В. Природоохранная технология разработки сапропеля.— Науч. тр./Всероссийской научно-технической конференции «Охрана экосистем и рациональное использование лесных ресурсов», том I. — М. 1994, с. 114—115.

34. Морозов В. В., Горелов Ю. И. Математическое моделирование конструктивных параметров насоса. — Тракторы и сельхозмашины, 1994, №8, с. 30—34.