автореферат диссертации по , 05.06.02, диссертация на тему:Обоснование параметров роторных рабочих органов машин для измельчения опавших листьев

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕЩОВАНИЙ И ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОТОРНЫХ ИЗМЕЛЬЧАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Краткий обзор конструкций роторных рабочих органов с шарнирноцрикрешгенными измельчающими элементами

1.2. Обзор исследований режимов функционирования измельчающих рабочих органов

1.3. Общий обзор исследований, посвященных оптимизации проектных параметров роторных рабочих органов.

1.4. Постановка задачи исследований.

2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТЖО-ЭКСПЕРШМЗТАЛШОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ШАРНИРНОПРЖРЕПЛЕННЫШ ИЗМЕЛЬЧАЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.

2.1. Исходные предпосылки и обоснование необходимости разработки модели.

2.2. Исследования колебаний шарнирноприкрепленных измельчающих элементов

2.3. Нагрузки и нагруженность измельчающих элементов рабочего органа.

2.4. Оценка нагрузок измельчения. Анализ теоретико-экспериментальных исследований.

2.5. Теоретико-экспериментальная модель функционирования рабочего органа как инструмент научных исследований. Структура и место в САПР.

Выводы.

3. МЕТОДИКА И ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСЖРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕЛЬЧАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ.

3.1. Методика экспериментальных исследований функционирования измельчакщих рабочих органов.

3.2. Анализ размерностей.

3.3. Планирование исследований.

3.4. Методика исследований колебаний измельчающих элементов

4. ОЦЕНКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РОТОРНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СО СПЕЦИФИЧЕСКИМ ПРЕДМЕТОМ ТРУДА.

4.1. Опавшие листья как специфический предмет труда

4.2. Основные физико-механические свойства опавших листьев

4.3. Технологические свойства опавших листьев.

4.4. Оценка качества измельчения растительного материала.

4.5. Загрязненность и засоренность измельченных остатков. Л

4.6. Оценка энергоемкости измельчения растительных остатков 133 Вывода.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ РОТОРНЫХ ИЗМЕЛЬЧШЩХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ.

5.1. Критерии эффективности создания измельчающих рабочих органов лесохозяйственных машин.

5.2. Выбор и конструирование целевой функции.

5.3. Обоснование ограничений.

5.4. Формализация задачи оптимизации.

5.5. Алгоритм оптимизации.

5.6. Анализ проектных решений.

5.7. Эмпирическая оптимизация по критерию энергоемкости измельчения.

Выводы.171 •

6. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ДНЯ СБОРА И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ.

6.1. Машины для сбора растительных остатков.Х

6.2. Согласованность функционирования подбирающего и измельчающего рабочих органов.

6.3. Основные параметры роторных рабочих органов.

6.4. Технические рекомендации по результатам исследовательских испытаний.

Выводы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЖОМЕНДАЦИИ

1. Исходя из анализа исследований отклонений шарнирноприкрепленных измельчающих элементов, разработана теоретико-экспериментальная модель функционирования рабочего органа, позволяющая обойти неопределенности, возникающие при описании физического процесса измельчающего взаимодействия со специфическим предметом труда. Доказана работоспособность модели как инструмента для определения .динамических нагрузок и нагруженности как измельчающих элементов, так и рабочего органа в целом, причем наиболее нагруженным является сечение измельчающего элемента, проходящее через шарнир его крепления к ротору.

2. Из условия динамического равновесия ротора при установившемся режиме функционирования и результатов экспериментальных исследований установлено положение точки приложения равнодействующей сил измельчения, которая находится на расстоянии 0,9 длины измельчающего элемента от оси шарнира его крепления к ротору.

3. Максимальные нагрузки измельчения достигаются в центре ротора, а уменьшение нагрузки по длине ротора от центра к периферии подчиняется линейному закону.

4. На основании анализа размерностей факторов, влияющих на процесс функционирования роторных измельчающих рабочих органов, предложены безразмерные показатели, позволяющие оценивать кине-матико-конструктивные параметры рабочего органа, энергетические характеристики процесса измельчения и свойства предмета труда.

5. Экспериментально установлен характер взаимодействия подбирающего и измельчающего рабочего органа со специфическим предметом труда. Так, дисперсия колебаний мощности слоя растительных остатков в лесопарковых насаждениях находится в пределах от 0,9 до 1,4 (кг/м2)^. Статистическая оценка измельченных частичек показывает, что сухие листья измельчаются более однородно, чем влажные. Так, для сухих листьев (влажность 40%): средневзвешенный размер - 3,4 мм, стандарт - 1,4мм, коэффициент однородности измельчения - 0,41, а для влажных листьев (80$) соответственно: 5 mi, 2,9 мм, 0,30.

6. Аналитическое решение формализованной многокритериальной параметрической оптимизационной задачи методом геометрического программирования позволило получить базовый вариант конструкции рабочего органа с отклонением от положения глобального оптимума 9% за одну итерацию. Базовый вариант уточнен модифицированным методом покоординатного спуска с реализацией на ЭВМ, результаты которого: число измельчающих элементов - 396, размеры элементов -125 х 30 х 3 мм, диаметр ротора по концам измельчающих элементов - 0,50 м, частота вращения ротора - П0рад/с.

7. Анализ проектных решений показал, что доминирующими параметрами, существенно влияющими на положение точки глобального оптимума, являются: длина и ширина измельчающих элементов, диаметр ротора и частота его вращения. В точке глобального оптимума ограничения по производительности и режимам функционирования являются активными, а ограничение по величине возникающих напряжений - неактивно.

8. Оптимизация по критерию энергоемкости измельчения оказалась неэффективной, поскольку оптимальные значения параметров находятся на границах допустимых интервалов варьирования.

9. Полученные в результате исследований оптимальные параметры и разработанные технические решения, защищенные авторскими свидетельствами, использованы при создании опытного образца машины для уборки и измельчения листьев. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения одной машины составляет 53 тыс.руб.

10. Результаты исследований и разработанные методики могут быть использованы при создании роторных измельчающих рабочих органов сельско- и лесохозяйственных машин.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981. - 223 с.

2. Баринов К.Н., Гуцелюк Н.А., Коршун В.Н., Кныш М.И. Машина для сбора растительных остатков. Лесное хозяйство, 1983, JS II, с.59-60.

3. Эрнст Л.К., Науменко З.М., Ладинская С.И. Кормовые продукты из отходов леса. М.: Лесная промышленность, 1982. - 168 с.

4. Канарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия.- М.: Машиностроение, 1983. 142 с.

5. Лурье А.Б., Любимов А.И. Широкозахватные почвообрабатывающие машины. Л.: Машиностроение, 1981. - 270 с.

6. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов. М.: Машиностроение, 1975. - 310 с.

7. Горячкин В.П. Собрание сочинений в 3-х томах. Т.З. М.: Колос, 1968. - 384 с.

8. Резник Н.Е. Кормоуборочные комбайны. М.: Машиностроение, 1980. - 375 с.

9. Калуцкий К.К., Тшценко А.И. Механизация очистки лесных площадей и переработки порубочных остатков. Лесное хозяйство, 1982, В 5, с.П-17.

10. Лосицкий К.Б., Цехмистренко А.Ф. Энергетические ресурсы леса.- лесное хозяйство,1982, Л 12, с.64-67.

11. Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства. Ч.1У Лесное хозяйство и защитное лесоразведение. - М.: ЦНЖГЭИ, 1981, с. 197-204.

12. Желиговский В.А. Экспериментальная теория резания лезвием. -В кн.: Труды МИМЭСХ, вып.9. М., 1940, с.123-130.

13. Габуния Н.А., Кевхишвили Д.С., Петросян С.В. Исследование энергозатрат роторного измельчителя чайных веток. Тракторы и сельхозмашины, 1982, № 7, с.12-13.

14. Карпенко М.И., Поединок В.Е. Энергоемкость процесса резания стебельчатых материалов. Тракторы и сельхозмашины, 1982, Л 6, с.28-29.

15. Есенчук Н.И. Исследование процесса резания растительных материалов в режущих парах измельчителя с осевым питанием. -Механизация и электрификация сельского хоз-ва, Киев, 1981, вып.50, с.28-32.

16. Зотов В.А. Машины для городских озеленительных хозяйств. -М.: Машиностроение, 1978. 203 с.

17. Бремер Г.И. Основы теории резания резвием и расчет режущих аппаратов животноводческих ферм. М.: ВЙСХИЗО, 1963. - 75 с.

18. Зяблов В.А. Основы теории технологического процесса резания в режущих аппаратах кормоприготовляющих машин. В кн.: Труда ВИЭСХ, т.14. - М., 1964, с.7-65.

19. Уманец A.M., Малюжеч В.А. Исследование аппарата для резки стеблей хмеля. Хмелеводство, 1982, $ 4, с.59-62.

20. Долгов И.А., Васильев Г.К. Математические метода в земледельческой механике. М.: Машиностроение, 1967. - 202 с.

21. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. Л.: Колос, 1970. - 374 с.

22. Лурье А.Б., Громбчевский А.А. Расчет и конструирование сельскохозяйственных машин. Л.: Машиностроение, 1977. - 528 с.

23. Митков А.А., Кардашевский С.В. Статистические метода в сельскохозяйственном машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. - 360 с.

24. Расчет и обоснование оптимальных мощностей и прочностных характеристик измельчителя грубых кормов ИГК-ЗОБ. Каз.полит, ин-т. Отчет го НИР 81.09.II, 1981. - 54 с. (н-р гос.регистр. 028I400I70).

25. Орлов Л.И. Основы конструирования. М.: Машиностроение, 1977. - 623 с.

26. Чернов Л.Б. Основы методологии проектирования машин. М.:

27. Машиностроение, 1978. 152 с.

28. Гуцелюк Н.А., Коршун В.Н. Постановка задачи оптимального проектирования лесохозяйственных машин. Лесной журнал, 1984, № 5 .

29. Кралин B.C. Постановка задачи оптимального проектирования гидроманипуляторов ВТМ с учетом требований надежности.

30. В сб.: Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства, вып.II. Л.: ЛТА, 1982, с.25-31.

31. Никозанов Д.Я., Перлик В.И., Кукушкин В.И. Статистическая оптимизация конструкций летательных аппаратов* И.: Машиностроение, 1977. - 240 с.

32. Гладкий В.Ф. Вероятностные метода проектирования конструкций летательного аппарата. М.: Наука, 1982. - 272 с.

33. К вопросу определения оптимальных параметров лесозаготовительных машин / Ю.Г.Артамонов, С.Ф.Орлов, Н.А.Гуцелюк и др.

34. В сб.: Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса, вып.З. Л.: ЛТА, 1974, с.3-9.34. ©ентон И. Сравнение численных методов оптимизации для инженерного проектирования. Труда ASME. - М.: Мир, сер.В,1. Я I, 1974, с.99-104.

35. Рут Р. Обзор методов оптимизации, применяемых при конструировании механизмов. Труда AS/VI£ . - М.: Мир, сер.В, $ 3, 1976, с.245-252.

36. Понтрягин Л.С. Математическая теория оптимальных процессов.- М.: Наука, 1983. 392 с.

37. Беллглан Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. М.: Наука, 1965.

38. Аоки М. Введение в метода оптимизации. М.: Наука, 1977.- 344 с.

39. Зангвилл В.И. Нелинейное программирование : Единый подаод.- М.: Советское рацио, 1973. 311 с.

40. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. - 534 с.

41. Уайдд Д. Оптимальное проектирование. М.: Мир, 1981. -272 с.

42. Хог Э., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование. -М.: Мир, 1983. 478 с.

43. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.

44. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин. М.: Машиностроение, 1977. - 288 с.

45. Коршун В.Н. Исследование отклонения шарнирно закрепленных ножей устройства измельчения листьев листоуборочных машин. -В сб.: Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства, вып.II. -Л.: ЛТА, 1982, с.61-64.

46. Разработка и исследование машины для уборки и переработки опавших листьев. Лен.лесотехн.академ. Отчет по НИР 3415.- Л., 1981. 55 с (н-р гос.регистр. 81064066, инв.н-р Б02823019272).

47. Основы расчета сельскохозяйственных машин на прочность и надежность / Под ред. П.М.Волкова. М.: Машиностроение, 1977.- 310 с.

48. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. 1/1.: Высшая школа, 1972. - 416 с.

49. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем.- М.: Машиностроение, 1976. 216 с.

50. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. 4.II. М.: Высшая школа, 1971. - 426 с.

51. Федорчук М.В. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1980. - 352 с.

52. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики.- М.: Наука, 1972, 592 с.

53. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа для втузов.- М.: Наука, 1964. 664 с.

54. Краснов М.Л. Сборник задач по обыкновенным дифференциальным уравнениям: Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1978. - 287 с.

55. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1982. - 332 с.

56. Николаенко Н.А. Вероятностные методы динамического расчета машиностроительных конструкций. М.: Машиностроение, 1967.- 368 с.

57. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.- Лейпциг : Тойбнер, 1979. 976 с.

58. ГОСТ 11.002-73. Прикладная статистика. Правила отбрасывания анормальных измерений. Ы.: Издательство стандартов, 1975.

59. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций.- М.: Наука, 1968. 464 с.

60. Практикум по программированию на алгоритмических языках / Г.И.Светозарова и др. М.: Наука, 1980. - 320 с.

61. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем.- М.: Мир, 1980. 604 с.

62. Кузнецов А.А. Надежность конструкции баллистических ракет.- М.: Машиностроение, 1978. 256 с.

63. Автоматизированное проектирование: Геометрические и графические задачи / Полозов B.C. и др. М.: Машиностроение, 1983.- 280 с.

64. Коршун В.Н. Влияние стохастических нагрузок на проектные параметры рабочего органа листоуборочных машин. Л.: ЛТА,1982. 19 с. - Деп.в ндатЭИтракторосельхозмаш, н-р ДР-292-82.

65. Библиотека программ на ФОРТРАНЕ ОИЯИ / Б1-Н-5144, Б1-П7200. Лубна : ОИЯИ, 1973. - 250 с. , - 200 с.

66. Операционная система ОС ЕС. Пакет графических программ для языков ФОРТРАН, КОБОЛ, ПЛ/1. Руководство программиста Ц51.804.003. Д64. 1979. - 264 с.

67. Ермолов Л.С. Повышение надежности сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1979. - 255 с.

68. Коршун В.Н. Методика экспериментальных исследований измельчителя листьев. В сб.: Повышение технического уровня и эффективности машин для лесозаготовок и лесного хозяйства.- Л.: ЛТА, 1983, с.19-21.

69. Техника тензоме'трирования лесохозяйственных машин. Л.: - ЛенНИИЛХ, 1980. - 58 с.

70. Осциллографы светолучевые Н 115, К 115; Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: В/0 Машприборторг СССР, 1976. - 85 с.

71. Электрические дистанционные стендовые тахометры типов ИСТ—Iи ИСТ-2 : Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Внешторгиздат, 10-1289, 1980. 20 с.

72. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.- 382 с.

73. Справочник радиолюбителя / Терещук P.M. и др. Киев: Гостех-издат УССР, 1957. - 506 с,

74. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1979.- 416 с.

75. Физико-механические свойства растений, почв и удобрений.- М.: Колос, 1970. 424 с.

76. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке : Метода планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. - 520 с.

77. Седов Л.И. Метода подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1967. - 325 с.

78. ГОСТ 8.417-81. Единицы физических величин. М.: Издательство стандартов, 1982. - 38 с.

79. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в науке и технике : Метода обработки данных. М.: Мир, 1980.610 с.

80. ГОСТ II.005-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров гормального распределения. М.: Издательство стандартов, 1981. - 32 с.

81. Коршун В.Н. Основные физико-механические и технологические свойства опавших листьев. В сб.: Пути повышения технического уровня и эффективности машин .для лесозаготовок и лесного хозяйства. -Л.: ЛТА, 1984, с.50-52.

82. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машгиз, 1963. - 771 с.

83. Меняй Р. Анализ и обработка записей колебаний. М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.

84. Гусев А.С., Светлицкий В.А. Расчет конструкций при случайных воздействиях. М.: Машиностроение, 1984. - 240 с.

85. Безухов Н.й. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.

86. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965. - 223 с.

87. Особов В.И. Теоретические основы уплотнения волокнистых материалов. В сб.; Труды ВИСХОМа, вып.55. - М., 1967,с.221-265.

88. Иофик В.З. Исследование условий приближенного моделирования процессов резания мерзлых грунтов. В сб.: Труды МАДИ, вып.97. - М., 1975, с.92-106.

89. Коршун В.Н. К теории взаимодействия ножевого рабочего органа роторного типа с лесными остатками. В сб.: Пути повышения научно-технического прогресса в лесном хозяйстве. Тез.докл.- Саласпилс : НПО "Силава", 1983, с.96.

90. ГОСТ 20915-75. Сельскохозяйственная техника. Метода определения условий испытаний. М.: Издательство стандартов, 1980. - 50 с.

91. Гуцелюк Н.А., Коршун В.Н. Энергоемкость измельчения листьев.- В сб.: Пути повышения технического уровня и эффективности машин для лесозаготовок и лесного хозяйства. Л.: ЛТА, 1984, с.41-43.

92. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973.- 250 с.

93. Белов М.И. Методика определения длины резки растительного материала расчетным путем. Тракторы и сельхозмашины, 1982, В 12, с.16-18.

94. Ефимова М.Г. Измельчение материала на кормоуборочных машинах. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1968, В 10, с.58-59.

95. Мейлахс И.И. Оценка качества измельчения сочных кормов.- Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1968, В 9, с.48-49.

96. Разработка и исследование машины для уборки листьев в садово-парковых хозяйствах. Лен.лесотехн.акад. Отчет по НИР 3020. - Л.: ЛТА, 1978. - 75 с. (н-р гос.регистр. 70076484).

97. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969. - 157 с.

98. Пижурин А.А. Методика планирования экспериментов и обработка данных их результатов при исследовании технологических процессов в лесной и деревообрабатывающей промышленности. Ч.1-Ш. М.: ЖГИ, 1972.

99. Сборник научных программ на Фортране. М.: Статистика, 1974.

100. ГОСТ 11.006-74. Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. М.: Издательство стандартов, 1975.

101. ГОСТ 15467-79. Качество продукции. Термины. М.: Издательство стандартов, 1982. - 26 с.

102. Коршун В.II. Оптимальное проектирование измельчителя листо-уборочной машины. -Л.: ЛТА, 1982. 38 с. - Деп. в ЦШШТЭ-отроймаш, В ДР-406-82.

103. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. М.: Машиностроение, 1963. Т.З - 744 е., Т.2. - 830 с.

104. Малков В.П., Угодчиков А.Г. Оптимизация упругих систем.- М.: Наука, 1981. 288 с.

105. Дабагян А.В. Оптимальное проектирование машин и сложных устройств. М.: Машиностроение, 1979. - 280 с.

106. Дафбин Р., Питерсон Э., Зенер К. Геометрическое программирование. М.: Мир, 1972. - 272 с.

107. Куляев Г.Ю., Гумбатов В.И. Машины для подборки и измельчения обрезанной виноградной лозы. Садоводство, виноградарство и виноделие Молдавии, 1982, Л 2, с.46-48.

108. Васильев Ф.П. Метода решения экстремальных задач : Учебное пособие. М.: Наука, 1981. - 400 с.

109. Тюльпанов Н.М. Лесопарковое хозяйство. М.: Стройиздат, 1965, с.74-77.

110. НО. Кныш М.Н. К вопросу о динамике листоуборочной машины.- В сб.: Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства. Л.: ЛТА, 1978, с.70-72.

111. Разработка и исследование машины для уборки и переработки листьев в садово-парковых хозяйствах. Лен.лесотехн.акад. Отчет по НИР 3248. - Л., 1980. - 55 с (н-р гос.регистр. 79076484).

112. А.с. СССР I0I5860. Устройство для уборки листьев / Е.А.Ту-целгок, В.Н.Коршун, В.М.Троязыков и др. Опубликовано в1. Б.И., 1983, 17.

113. А.с. СССР 1080788. Устройство для уборки опавших листьев / В.Н.Коршун и др. Опубликовано в Б.И., 1984, J§ II.

114. А.с. СССР 1083964. Машина для уборки и измельчения листьев / В.Н.Коршун, Н.А.Гуцелюк, В.В.Шаров и др. Опубликовано в1. Б.И., 1984, В 13.

115. Chancettor W.J. Energy Requirement for Cutting Forage -'Ayr. p. 633-636. (англ.)120 • Davies Т., Ayata ft. Jnnovailonsin Maintenance Puna Sugar Co