Технологический процесс и классификация машин для уборки навоза

Технологический процесс уборки из животноводческих помещений состоит из следующих операций:

Чистка стойловых помещений или станков со сгребанием навоза в канавки, желоба или проходы.

Удаление навоза из канавок или желобов за пределы животноводческих помещений.

Погрузка навоза в транспортные средства.

Транспортировка навоза к месту хранения (навозохранилищу) или к месту компостирования.

Выгрузка и укладка навоза на хранение — приготовление органических удобрений.

Погрузка и транспортировка навоза на поле и внесение в почву.

В настоящее время для удаления навоза из помещений применяется большое количество различных машин и установок (плакаты). Все они классифицируются на следующие типы:

• а) скребковые транспортеры кругового и возвратно-поступательного движения;
• б) канатные скреперы и лопаты;
• в) навесные устройства на тракторах и самоходных шасси;
• г) устройства для гидравлического удаления навоза (гидротранспорт);
• д) устройства с применением сжатого воздуха (пневматические установки).

Устройство и расчет скребковых транспортеров кругового движения.

Скребковые транспортеры кругового движения (ТСН-3,0Б; ТСН-2; ТСН-2,0Б; ТСН-160) применяются для ежедневного удаления навоза из помещений для содержания животных. Тяговым рабочим органом является втулочно-роликовая цепь, усиленная пластинчатая цепь или якорная калиброванная цепь, к которым на равном расстоянии крепятся скребки. Длина цепи — до 200 м.

Транспортер ТСН-3,0Б состоит из двух самостоятельных транспортеров — горизонтального, уложенного в круговую четырехугольную канавку, и наклонного, выносящего навоз из помещения. Рабочий орган — пластинчатая цепь со скребками.

В транспортере ТСН-2,0 горизонтальная и наклонная части представляют единое целое.

Транспортер ТСН-2,0Б представляет собой комбинацию горизонтальной части ТСН-2,0 и наклонной части ТСН-3,0Б. Благодаря использованию надежной штампованной цепи ТСН-2,0 и быстроходного наклонного транспортера ТСН-3,0Б обеспечивается выгрузка густых и жидких фракций навоза и повышается долговечность работы в 2…3 раза. Горизонтальная часть ТСН-2,0 может быть использована для транспортирования от помещения к навозохранилищу на расстояние до 200 м.

Транспортер ТСН-160 имеет неразборную якорную калиброванную цепь. Разрывное усилие этой цепи в три раза больше, чем цепи транспортера ТСН-3,0Б. В конструкции транспортера предусмотрено устройство для автоматического натяжения цепи в процессе эксплуатации, что позволяет снизить трудоемкость технического обслуживания на 25%. Срок службы ТСН-160 увеличен до 7 лет.

При расчете скребковых транспортеров определяется производительность и потребная мощность на привод.

Фактическая производительность.

кг/с,.

где — суточный выход навоза от животных, обслуживаемых одним транспортером, кг;

Т — общее время работы транспортера в сутках.

Время работы зависит от числа включений К_уб в сутки и продолжительности цикла уборки Т_ц

Т = Т_ц К_уб .

Тогда.

кг/с.

Число включений принимается 3…6 раз в сутки, а продолжительность цикла Т_ц = 20…60 мин.

Теоретическую производительность можно определить по формуле:

.

где.

• · b и h — длина и высота скребка, м;
• J — скорость цепи транспортера, м/с (0,19 м/с);
• · с — плотность навоза, кг/м³ ;
• · ц — коэффициент заполнения канавки, ц = 0,5…0,6.

Общее сопротивление, возникающее при перемещении навоза в канавке.

Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р₄ Н, где.

· Р₁ — сопротивление от трения навоза о дно канавки.

Н, где.

• · G — масса навоза в канавках, кг;
• · f₀ — коэффициент трения покоя навоза о поверхность канавки, по металлической поверхности f₀ =0,85; по бетонной f₀ =0,97.

Максимальное количество навоза, которое обычно скапливается в канавке между отдельными включениями транспортера.

.

где.

· Р₂ — сопротивление от трения навоза о боковые стенки канавки.

Н, где.

· К_б — коэффициент бокового давления (0,3…0,4); Р₃ — сопротивление от перемещения самой цепи со скребками.

Н, где.

• · q_ц — масса пог. м цепи со скребками, кг/м;
• · f_ц — коэффициент трения цепи о дно канавки;
• · Р₄ — сопротивление от заклинивания навоза между скребками и канавкой

Н, где.

• · L — длина цепи, проходящая возле животных, при общей длине транспортера 200 м, L = 170 м;
• · а — шаг скребков, м;
• · W — сопротивление заклинивания одного скребка.

Для соломистого навоза W = 15 Н, для экскрементов и торфяного навоза W = 30 Н.

Мощность, потребная для привода транспортера.

.

где — КПД привода.

Устройство и расчет штанговых скребковых транспортеров.

По сравнению со скребковыми транспортерами кругового движения штанговые имеют ряд преимуществ:

• — обеспечивают подачу навоза к месту выгрузки кратчайшим путем;
• — наличие жесткой штанги предотвращает подъем скребков, их шарнирное соединение облегчает ремонт и замену скребков;
• — возможность изменения направления перемещения навоза путем переустановки упоров.

По расположению оси подвески штанговых скребковых транспортеров их можно подразделить на две группы:

• — с вертикально расположенной осью, когда скребки поворачиваются в горизонтальной плоскости, параллельно дну канавки;
• — с горизонтально расположенной осью, когда скребки поворачиваются в продольно-вертикальной плоскости.

Оба типа транспортеров работают следующим образом. При рабочем ходе скребки упираются в ограничители поворота и устанавливаются, перекрывая все сечение канавки (желоба). При этом порция навоза перемещается на расстояние, равное одному ходу штанги.

При холостом (обратном) ходе скребки поворачиваются вокруг своих осей на 90⁰, пропуская порции навоза. При повторном рабочем ходе скребки раскрываются до ограничителей за счет возникающих сил трения. Каждый из скребков захватывает порцию навоза, которую транспортировал скребок, расположенный сзади.

Привод таких транспортеров может быть самым разнообразным. В настоящее время выпускается штанговый скребковый транспортер УН-3 с гидроприводом и скребками с вертикальной осью поворота.

Определение производительности и потребной мощности производится аналогично цепочно-скребковым транспортерам.

Ход штанги должен обеспечить пропуск порции навоза, оставленной предыдущим скребком, и возможность разворота скребка в рабочее положение.

где.

• · t_c — шаг скребков;
• · Дl — длина пути штанги, на которой происходит разворот скребка.

Величина Дl зависит от угла наклона скребка к штанге при холостом ходе и силы сопротивления, от которой скребок поворачивается в рабочее положение. Вообще, целесообразно независимо от угла наклона скребка к штанге принимать Дl > b

при условии, что сила, поворачивающая скребок в рабочее положение, больше силы трения в шарнире скребка.

Шаг скребков должен быть больше длины призмы волочения перед скребком.

.

где — угол естественного откоса навоза в движении.

Устройство и расчет канатно-скреперных установок Установки предназначены для уборки навоза из-под решетчатых полов помещений при содержании животных без подстилки и подачи его в навозосборники или транспортные средства, а также для транспортирования навоза в хранилища. Их рабочие органы совершают возвратно-поступательное (челночное) движение.

Преимущество — простота изготовления, надежность в работе, копирование неровностей дна желоба.

Недостатки — сложная строительная часть.

В скреперных установках применяют различные рабочие органы типа «Короб», «Стрела», «Лопатка», «Каретка». Канатно-скреперные установки, как правило, автоматизированы.

Промышленность выпускает канатно-скреперные установки ТС-1 (со скрепером типа «Каретка», он же «Короб» (плакаты), УС-15 со скрепером типа «Стрела», или дельта-скрепер.

Для транспортирования навоза к хранилищам на расстояние до 50 м выпускаются установки УСН-8 со скрепером типа «Короб» и УС-10 со скрепером типа «Стрела» .

Производительность скреперной установки.

кг/с, где.

• · V_ck — емкость скрепера, м³;
• · ц — коэффициент заполнения (0,9…1,2);
• · z — количество скреперов;
• · Т_ц — время одного цикла.

с, где.

• · l — длина хода скрепера, м;
• · _ср — средняя скорость движения скрепера, м/с;
• · Т_уп — время на переключение хода, с.

Общее сопротивление перемещения рабочего органа скреперной установки, работающей в двух навозных канавках.

Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р₄ Н.

.

где Р₁ — сопротивление движения рабочей ветви.

Н, где.

• · M_cк — масса скрепера, кг;
• · z₁ — масса навоза в канавке, кг;
• · в_пр — приведенный коэффициент сопротивления перемещению навоза и скрепера (1,8…2,0);
• · q_тр — масса 1 м троса (цепи, штанги), кг;
• · L — длина троса (цепи), м;
• · f — коэффициент трения троса о навоз (0,5…0,6);
• · Р₂ — сопротивление перемещению при холостом ходе ветви.

Н,.

Р₃ — сопротивление на преодоление инерционных сил.

Н, где.

• · t — время разгона скрепера;
• · Р₄ — сопротивление на направляющем ролике от набегающей ветви каната

Н, где.

• · f _т — коэффициент трения троса о ролик (0,1…0,2);
• · б — угол обхвата ролика тросом, рад.

Мощность на привод скреперной установки.

Вт, где — КПД передач.

Гидравлические системы удаления навоза.

С развитием и совершенствованием систем микроклимата появилась возможность широко использовать гидравлические способы удаления навоза. Этому способствовало также отсутствие достаточного количества подстилочных материалов. Поэтому в первую очередь на крупных животноводческих комплексах эта система удаления навоза получила широкое распространение.

Гидравлические способы удаления навоза имеют ряд преимуществ перед механическими:

• — высокая эксплуатационная надежность;
• — большая долговечность и малая металлоемкость;
• — низкие удельные эксплуатационные расходы;
• — отсутствие электроприводов и движущихся частей в самих животноводческих комплексах.

Недостаток — требуется высокое качество (точность) строительных работ.

Заглубленные каналы гидравлических систем перекрывают щелевым полом из решеток, что позволяет содержать животных в чистоте, улучшить санитарные условия и уменьшить затраты на очистку помещений от навоза.

Различают следующие системы или способы удаления жидкого навоза из помещений:

• — смывная
• — лотково-отстойная
• — рециркуляционная
• — самотечная
• — комбинированная (самотечная с периодической рециркуляцией).

Все гидравлические системы состоят из продольных и поперечных каналов, навозосборников, насосных станций и вспомогательного оборудования (шибера, заслонки и т. п.). Сечения каналов могут быть прямоугольной формы, прямоугольной формы с закруглением углов у дна радиусом 10…15 см, трапециевидной формы с овальным дном и прямоугольной формы в виде двух полуокружностей При смывной системе навоз удаляется струей воды. Различают способы смыва — с помощью смывных насадок и с помощью смывных бачков.

При прямом смыве навоз удаляется из логова струей воды. Смывные насадки устанавливаются в начале продольных каналов под углом к дну канала. Смывные бачки емкостью 0,5…1 м³ устанавливают в начале каждого продольного канала на высоте 2 м. Сброс воды — 2 раза в сутки.

Длина продольного канала не более 40 м, уклон дна — 0,01, поперечный канал — на 300 мм глубже продольного.

Недостаток — большой расход воды и высокая влажность воздуха в помещении.

Лотково-отстойная система удаления навоза основана на периодическом накапливании навоза в каналах и удалении его самотеком при открывании шибером и пуске воды. Каналы при этом делают с полукруглым дном (R = 15 см) и шириной по верху 60…70 см для свиней и 70…80 см для КРС. Начальная глубина канала 60…70 см, уклон 0,005…0,01, но не более 0,015. В противном случае жидкая фракция при открытии шиберов быстро уйдет, не захватив густой фракции. Продольные каналы соединяются с поперечным, последний через самотечный навозопровод соединяется с навозосборником. Накопление навоза в каналах длится 3…4 дня. Количество воды, добавляемое в навоз, составляет 10…15 л на голову КРС и 1…1,5 л на свинью. После закрытия шиберов на дно канала наливается вода, чтобы твердая фракция не прилипала ко дну.

Система рекомендуется на мелких фермах. Недостатки: сильная загазованность помещения во время удаления навоза из каналов и относительно большой расход воды.

Рециркуляционная система повторяет лотково-отстойную с той лишь разницей, что вместо воды используется осветленная жидкая фракция из навозосборника. Эта жижа перекачивается по асбоцементным ими чугунным трубам диаметром 250…300 мм.

Есть вариант, когда внутри помещения устанавливают навозопроходы диаметром 300 мм, навоз в которые сталкивается через колодцы.

Недостаток — постоянный контроль за наличием инфекции в жиже. В случае ее обнаружения — смыв осуществляется водой.

Самотечная система удаления навоза основана на способности его самопроизвольно растекаться по горизонтальной плоскости или наклонной с i = 0,005…0,006. Устройство системы аналогично предыдущим. Только в поперечном канале-коллекторе удаление навоза осуществляется смывом водой или осветленной жижей.

В конце каждого продольного канала имеется порожек, шибер и гидрозатвор. Порожек необходим для нормального функционирования системы в самотечном режиме, шибер — для запуска системы, гидрозатвор препятствует проникновению газов из поперечного канала.

Поперечный канал на 30…50 мм глубже продольного, уклон дна — 0,015…0,02. Смыв — 3…4 раза в сутки. Запуск системы на самотечный режим осуществляется через 10…14 дней после постановки животных, когда уровень навоза в канале не достигает решетки на 15…20 см, скорость движения навоза — 1 см/час.

Эта система является более экономичной, так как требует минимального расхода воды (наливается на дно лотка до уровня порожка). Но она предъявляет высокие требования к качеству строительства (шероховатость стенок лотков, постоянство ширины, уклон дна, фильтруемость через стенки), влажности и равномерности заполнения лотка навозом. Система работает при W = 87…90%. Кроме того, запуск системы не всегда удается осуществить с первого раза.

При горизонтальном дне продольного канала высота порожка h=0,1 м, при уклоне i

м .

Длина канала обычно не превышает 50 м, но наилучшие условия работы при 25…30 м. Ширина — 0,8…1,2 м для свиней и 0,8…1,5 м для КРС.

Глубина продольного канала максимальная.

.

где.

• · h_cл — толщина слоя навоза над порожком (0,05…0,15 м);
• · i_п — уклон поверхности навозной массы в канале, зависит от многих факторов, в среднем можно принимать i_п = 0,015…0,025;
• · h_з — минимальное расстояние от поверхности навозной массы в начале канала и решеткой (0,15…0,2 м).

Минимальная глубина канала.

но она в любых случаях не должна быть меньше 0,6 м.

Комбинированная система удаления навоза является усовершенствованной самотечной. Отличается от нее наличием напорных водопроводов с насадками. Вода включается только в том случае, если влажность экскрементов менее 87% или уровень их в канале выше допустимого. Работа системы может управляться оператором и автоматически.

Навозосборники и навозохранилища.

Для промежуточного хранения навоза и возможности организации поточности работы устраивают навозосборники. Наличие навозосборника позволяет удалять навоз из помещения независимо от графика работы транспортных средств, отвозящих навоз в хранилище или на поле. Жидкий навоз подается к навозосборнику по самотечному каналу, подстилочный «твердый» — одним из вышеназванных механических средств.

Для выгрузки густой фракции навоза из сборника используется ковшовый погрузчик НПК-30, жидкий — насосы НШ-50 (навесной шнековый), НЖН-200, ЦМФ-160−10, УН-10. Для перекачки полужидкого навоза в хранилище применяются пневматические УПН-15 (снят с производства) и поршневые установки УТН-10.

На фермах с гидравлической системой удаления навоза рекомендуется строить по два навозосборника на каждый коллектор для химического обеззараживания. Емкость каждого сборника — 8…10 — суточный выход навоза. Пока в одном идет накопление навоза, в другом навоз выдерживается 6…8 дней — инкубационный период вирусов. При обнаружении инфекции в навозосборнике проводится химическое обеззараживание. Если инфекции нет, навоз можно перекачивать в хранилище или использовать на рециркуляцию.

Навозохранилища выбирают в зависимости от вида навоза и климатических условий хранилищ. Для хранения твердого навоза применяют открытые и закрытые навозохранилища. Открытые могут быть наземными и заглубленными. Наземные строят при высоком уровне грунтовых вод на площадках с твердым покрытием и небольшими бортами. С двух сторон хранилища делают жижесборники. Заглубленные хранилища выполняют в виде траншеи глубиной 1,5…2 м с насыпным валом по бокам и пандусами с торцов для въезда транспорта. Стены и дно траншеи должны быть надежно гидроизолированы.

Прифермские хранилища могут быть открытого и закрытого типов, полевые — открытого.

Емкость хранилища должна обеспечивать прием трехмесячного выхода с фермы при зимнем вывозе навоза на поля или в полевые хранилища и всего навоза за зимний период, если не организована его транспортировка в это время.

Выгрузку твердого навоза из хранилищ и погрузку в транспортные средства осуществляют грейферными погрузчиками ПЭ-0,8, ПШ-0,4 или погрузчиком-бульдозером ПБ-35.

Полужидкий и жидкий навоз хранят в заглубленных хранилищах круглой диаметром 24 м и высотой 3 м или прямоугольной формы. Круглое хранилище оборудуется гидромеханической мешалкой, прямоугольное — козловым краном с грейфером ПОУ-40. В прямоугольном хранилище делают секцию для жидкой фракции, отделенную от хранилища решетчатой стенкой.

Вместо козлового крана навозохранилище может быть оборудовано установкой УВН-800. Установка УВН-800 оборудована скрепером и работает совместно с насосами НЖН-200 или НШ-50-П (навешивается на трактор). Без разделения навоза на фракции перед погрузкой его гомогенизируют насосом и им же заполняют цистерны. При разделении на фракции жидкую откачивают насосом, твердую грузят скрепером в транспорт.

Разделение жидкого навоза на фракции.

Чем вызвана необходимость разделения жидкого навоза на фракции? На крупных животноводческих комплексах применяют, как правило, гидравлические системы удаления навоза. Это всегда и особенно при смывной системе приводит к увеличению выхода навоза в 5…6 раз. При этом влажность его достигает 96…98%.

Перевозить такой навоз в поле мобильным транспортом (средний радиус перевозки 5…6 км) экономически невыгодно. Транспортировать по трубам ненадежно из-за наличия твердых включений.

Применяют три метода разделения жидкого навоза на фракции:

• — в отстойниках-накопителях,
• — выпариванием,
• — механическими средствами.

Разделение на фракции в отстойниках-накопителях требует строительства дорогих и в большом количестве отстойных сооружений.

Наиболее простой отстойник — это резервуар глубиной не менее 5 м круглой или прямоугольной формы. Жидкий навоз вводится в отстойник по центральной трубе сверху вниз, попадает в нижнюю коническую часть отстойника. Взвешенные частицы оседают, а жидкая фракция медленно поднимаясь, сливается из отстойника. Сечение отстойника настолько велико, что скорость подъема жидкой фракции значительно меньше скорости оседания твердых частиц. Для свиного навоза скорость подъема должна быть меньше 0,7 мм/с, а продолжительность пребывания суспензии в отстойнике не менее 2 часов.

Влажность получаемого осадка составляет 93…94%, что требует его дополнительного обезвоживания. Поэтому такие вертикальные отстойники используют как первичные с последующим машинным обезвоживанием. Использование вертикальных отстойников выгодно тем, что резко сокращается объем переработки твердой фракции: выход осадка составляет 20% от исходного жидкого навоза влажностью 98%.

Горизонтальный отстойник-накопитель — самостоятельное сооружение. Представляет собой прямоугольный бассейн размером 110×33×2,25 м. Дно и стенки — бетонные. В дне сделаны дренажные лотки с перфорированными трубами или плитами, заполненные щебнем.

Бассейны заполняются жидким навозом, при этом дренаж не работает — закрыты задвижки дренажных линий.

Периодически по мере образования осадка осветляемая жидкость сливается с любого уровня через водосбросы шандорного типа. После заполнения накопителя осадком слоем 1,5…1,8 м подачу навоза переключают на следующий накопитель. Открываются дренажные задвижки и образовавшийся осадок обезвоживается с 90…92% влажности до 80% за счет испарения влаги и фильтрации через дренаж за два месяца летом и три-четыре месяца зимой.

Выгрузка твердого осадка осуществляется мобильными погрузчиками, которые заезжают с транспортными средствами в отстойник-накопитель по пандусам.

Наиболее эффективными для поточной технологии являются средства разделения на фракции с использованием активных методов. К ним относятся фильтрование с постоянным удалением осадка с фильтровальной перегородки (виброфильтры), фильтрование с повышенным давлением (фильтрпрессы), комбинации обоих факторов одновременно (центрифуги, вакуумфильтры).

Кривое сито — наиболее простая установка. Фильтрование происходит.

под действием сил гравитации, а очистка поверхности сита от твердых частиц — смывом вновь поступающих порций. Установка эффективна в работе. Влажность твердой фракции 86…88%, ее требуется дополнительно обезвоживать. Поэтому кривое сито используется как первая ступень обезвоживания.

Динамический фильтр (вибросито) представляет собой цилиндрический бункер с коническим дном (конус вверх) из нержавеющей сетки с размером ячеек 1…3 мм. Бункер установлен на раме через цилиндрические пружины и приводится в движение мотор-вибратором.

Масса, поступающая в центр бункера, под действием вибрации растекается к периферии и фильтруется. Фильтрат стекает через нижний бункер, а твердый осадок удаляется через тангенциально установленные лотки. Производительность по исходной массе W = 97…98% составляет 6…8 т/ч, влажность осадка — 80…90%.

Вибросита работают ненадежно, так как забиваются твердой фракцией.

Виброгрохот ГИЛ-32 (52) представляет собой двухрядное сито, колеблющееся с коробом, совершая перемещения как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Исходная масса равномерным слоем попадает на верхнее сито и под действием инерционных сил продвигается к лотку для отвода твердой фракции. Профильтровавшаяся часть попадает на второе нижнее сито с меньшими отверстиями и фильтруется повторно.

Шнековый фильтр-пресс представляет собой литой шнек переменного шага, находящийся в перфорированном кожухе. В конце кожуха имеется нажимной конус для создания регулируемого противодавления. Отверстия перфорации конические диаметром 2 мм со стороны шнека и диаметром 4 мм снаружи. Влажность отжатой массы — 65…70%.

Производительность по исходной массе влажностью 82…85% - 20 т/ч.

Фильтрующая центрифуга представляет собой перфорированный ротор с отверстиями 0,7…1,2 мм, вращающийся со скоростью 500 мин^-1. Образующийся на нем твердый осадок непрерывно срезается капроновым ножом и попадает на шнек с переменным шагом, помещенным в перфорированный кожух на одном валу с ротором. Здесь производится дополнительное обезвоживание осадка.

Производительность по исходной массе при W = 94…96% составляет, т/ч — 60…80, при W = 97…98% - 100…120, влажность осадка- 73…75%.

Осадительная центрифуга ОГШ-502К-4 представляет собой размещенные соосно ротор и конический шнек, посаженный на полый вал. Суспензия вводится через полый вал. Под действием центробежных сил прижимается к периферии ротора, где происходит разделение: твердая более тяжелая фракция прижимается к ротору и непрерывно образовывающийся слой снимается витками шнека и перемещается в суживающуюся коническую часть, где дополнительно отпрессовывается.

Осветленная жидкость вновь поступает порциями суспензии. Шнек вращается на 1,5…2% медленнее ротора в ту же сторону.

Производительность по исходной массе при W=91…94% - 20…25т/ч.

· Влажность твердой фракции — 67…70%.

Диаметр ротора — 500 мм.

Частота вращения, мин^-1 — 2000; 2300; 2650.

Разделение навоза на фракции можно производить в гидроциклонах.