автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Параметры процесса выгрузки туковых смесей из бункеров сельскохозяйственных машин в условиях их фрикционной сегрегации и сводообразования

На правах рукописи

Корнеев Дмитрий Витальевич

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ВЫГРУЗКИ ТУКОВЫХ СМЕСЕЙ ИЗ БУНКЕРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ ИХ ФРИКЦИОННОЙ СЕГРЕГАЦИИ И СВОДООБРАЗОВАНИЯ

Специальность 05 20 01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ174615

Краснодар - 2007

003174615

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ростовский институт повышения квалификации кадров в АПК»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Богомягких Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Шафоростов Василий Дмитриевич,

Кандидат технических наук, доцент Иванов Владимир Петрович

Ведущая организация:

Федеральное государственное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт по испытанию сельскохозяйственных технологий и машин» (ФГНУ «РосНИИТиМ»)

Защита состоится « 2007 года в часов на за-

седании диссертационного совета Д 220 038 08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу 350044 г Краснодар, ул Калинина, 13, КубГАУ, факультет энергетики и электрификации, ауд 4

С диссертацией можно ознакомиться в научном отделе библиотеки ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Автореферат размещен на сайте www kubagro ru Автореферат разослан « 4 ^Ar/wJtSLzimi г

Ученый секретарь диссертационного совета д т н, профессор

С В Оськин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Использование минеральных удобрений для большинства сельскохозяйственных культур требует одновременного внесения двух и более питательных элементов, и поэтому применение их смесей является актуальным Однако оно сдерживается из-за явления сегрегации, которое наблюдается при приготовлении туковых смесей в бункерах сельскохозяйственных машин, часто функционирующих в режиме динамического сводообразования туков

В связи с этим, изучение явления сегрегации (расслоения) смесей в бункерах с целью его предотвращения представляет важную задачу с одной стороны - качественное приготовление туковых смесей, а с другой - получение надежных и высоких урожаев сельскохозяйственных культур

Постановка и решение этой задачи особенно очевидны в настоящее время, когда наметилась тенденция создания высокопроизводительной техники, включающей сложные бункерные устройства, оборудованные автоматическими и автоматизированными системами управления и регулирования Кроме того, решение этой задачи ускорит внедрение в производство технологии и технических средств для координатного дифференцированного внесения в почву смесей минеральных удобрений

Цель исследования — определение основных закономерностей движения компонентов минеральных удобрений в полостях бункеров сельскохозяйственных машин и разработка технических средств для снижения их сегрегации

Объект исследования - процесс движения туковых смесей в полостях бункеров сельскохозяйственных машин

Предмет исследования - установление взаимосвязи между факторами, обуславливающими движение туковых смесей в бункерах сельскохозяйственных машин

Методы исследования - аналитическое описание движения частиц компонентов смеси сыпучих тел в полостях бун.:еров с использованием основных положений механики сыпучих тел, планирования экспериментов, покадровой съемки, существующих и вновь разработанных методик

Научная новизна работы состоит в определении аналитических зависимостей, позволяющих описать влияние фрикционных свойств компонентов туковой смеси на ее расслоение, выбрать коэффициент расслоения туковой смеси и определить зоны в бункере наибольшей интенсивности ее расслоения при истечении из бункера

Практическая значимость работы состоит в разработке технического средства для снижения расслоения туковой смеси при ее истечении из бункера

На защиту выносятся следующие научные положения:

- обоснование механической модели гранулированной туковой смеси и ее основные допущения,

- аналитические зависимости, описывающие влияние фрикционных свойств компонентов на движение гранулированных туковых смесей при их истечении из бункеров;

- критерий оценки степени сегрегации гранулированных туковых смесей,

- техническое средство, снижающее сегрегацию смесей гранулированных минеральных удобрений, и обоснование его параметров,

- методика инженерного расчета технического средства для снижения расслоения гранулированных туковых смесей при их движении в бункере

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и одобрены на научных конференциях РИГЖа и АЧГАА (г Зерноград, 20012002 г), ДГТУ (г Ростов-на-Дону, 2003 г), КубГАУ (г Краснодар, 2006 г)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ общим объемом 1,21 печатных листов

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 136 наименований, в том числе 7 иностранных источников Работа изложена на 157 страницах текста, включая 5 страниц приложений, и содержит 14 таблиц, 45 рисунков

Работа выполнена в РИПКК АПК в соответствии с планом НИР по теме №1

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулированы цель, объект и предмет исследования, а также научные положения, выносимые на защиту

В первой главе приводится анализ отечественных и зарубежных исследований по теме В связи с тем, что в работе рассматриваются вопросы движения туковых сыпучих смесей в бункерах, приводится анализ различных направлений в исследовании механики сыпучих тел и их смесей Значительный вклад в развитие науки о истечении сыпучих материалов из бункеров внесли известные ученые Алферов К В , Богомягких В А , Гячев Л В , Платонов П Н , Кунаков В С , Танака Т, Ричмонд О и др

На основании проведенного анализа исследований по теме диссертации сформулирована рабочая гипотеза о том, что интенсивность расслоения смесей минеральных удобрений, истекающих из бункеров, может быть снижена путем использования устройств, параметры и режимы работы которых соответствуют физико-механическим свойствам туковых смесей

В соответствии с целью работы сформулированы задачи исследований - обосновать механическую модель гранулированной туковой смеси, раскрывающую физическую сущность ее сегрегации, а также учитывающую сводоразрушающий характер ее истечения из выпускных отверстий бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений,

- сформулировать теоретические предпосылки процесса выгрузки гранулированных туковых смесей из бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений в условиях их сегрегации и динамического сводообразования,

- разработать методику инженерного расчета технических средств, снижающих влияние явлений сегрегации и сводообразования компонентов туковой смеси в процессе ее выгрузки из бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений

Во второй главе на основе известной дискретной модели сыпучего тела Л В Гячева - В А Богомягких раскрывается физическая сущность процесса движения туковой смеси в бункере как стационарного стохастического процесса образования и разрушения динамических сводов При этом время неустановившегося режима истечения туковой смеси определяется по формуле

(!)

а

где Нб- высота бункера, точнее, высота столба сыпучего тела в бунке-

ре,

/ср- среднестатистическое значение стрелы динамических (неустойчивых) сводов, зависящее от конструктивных параметров бункера и физико-механических свойств сыпучего материала (туковой смеси),

а'- среднестатистическая частота разрушения динамических сводов в бункере, образовавшихся при его загрузке сыпучей смесью Время установившегося истечения туковой смеси-

(2)

1 V

где V- частота образования и разрушения динамических сводов в бункере

При этом, (и «1у То есть, /я равно времени выхода из бункера одной

дозы туковой смеси При неустановившемся режиме истечения превалирует «диффузионная» сегрегация туковой смеси, связанная с числом столкновений частиц смеси с разными коэффициентами внутреннего трения tgl|/ за время 1Н

«Диффузионная» сегрегация туковой смеси подчиняется стохастическому интегралу, определяющему математическое ожидание числа столкновений частиц двухкомпонентной смеси с разными углами внутреннего трения у/ за время 1и

м\/М-^у-

2 ' - ' К2

^ I -(3)

1 + ехр -

/ср /

у„2; а

„ '¿КсЛ + Ч'г) где К = ,

и, и п2 - соответственно количество частиц в смеси, имеющих углы внутреннего трения ц/х и ц/г По существу, М[/(я,?)] эквивалентно коэффициенту относительного расслоения на компоненты (К'р ) за время В процентном соотношении он мал и не превышает, как показали опыты, (1 3)% Основное расслоение смеси происходит при установившемся режиме ее истечения из бункера, когда каждая частица компонентов смеси начинает двигаться по своим линиям скольжения, составляющим углы, к примеру, с вертикальной осью бункера (рисунок 1)

а, = 90° -{р + ц/, + <р\ а;= 90°-(/?-К + е>), где <р- внешний угол трения туковой смеси (угол трения туковой смеси по стенке бункера)

Из рисунка 1 следует, что ът{р + ц/" + (р)> ът(/3 + ц/'+ ср), так как х' < х". Это справедливо и при условии ср<<р"<рщ < <р" ; (3 < Р".

Тогда коэффициент относительного расслоения смеси по оси ох бункера определится

(5)

где ^ = 4- (6)

По оси оу у1 < у". Отсюда следует, что частицы компонентов смеси с меньшим углом ц/, перемещаясь по линиям скольжения с углом интенсивнее движутся к центральной части потока в бункере и, тем самым, быстрее попадают в зону максимальных его скоростей, вызывая расслоение сыпучей смеси на компоненты. На рисунке 2 показано соотношение расстояний по оси ох бункера для частиц с разными ц/ . Из него следует, что с увеличением Дц/ £ уменьшается по гиперболе, а К], увеличивается по параболе. Из графика также следует, что за 10с истечения двухкомпонентной смеси с ц/' - 5° и цу" =10° (у/" - базисный компонент) в навеске оказалось к 7% компонента с 4/" = 10° и 10.8% компонента с ц/' ~ 5°

О 5 Ю 15 20 25 X 35

х

Рисуяок 2 - График функций ^ = ~ и К], = 1 - %

Таким образом, частицы с меньшим ц> имеют возможность быстрее «уйти» в центральную зону бункера, давая, тем самым, частицам с большим у/ свободнее перемещаться параллельно оси бункера в его периферийной части В этом суть физической сущности явления сегрегации смесей на компоненты с различными коэффициентами внутреннего трения их частиц до момента образования ими динамических (неустойчивых) сводов в бункере Вероятность образования и разрушения в бункере динамических сводов описывается законом распределения Пуассона Причем, это распределение является стационарным и находится в состоянии статистического равновесия

где Л - частота образования и разрушения динамических сводов в бункере,

и- количество возможных сводов в бункере за время установившегося истечения сыпучей смеси из бункера )

Заменяя все возможные образующиеся в бункере динамические своды одним, эквивалентным им, динамическим сводом (по теории проф В А Бо-гомягких) и рассматривая состояние равновесия его замковой частицы «от»

х'

(рисунок 3), получим соотношение 4 = —> аналогичное выражению (5)

Я Г (1-ехр(- /л)Г

\

ехр (1 - ехр(- ///)) , (7)

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на «замковую» частицу « m » динамического (неустойчивого) свода « abc » при нормальном виде истечения сыпучей смеси (сыпучего тела

смеси)

То есть, природа сегрегации компонентов туковой смеси при «диффузионном» расслоении, при расслоении по линиям скольжения и при динамическом сводообразовании одна и та же Связана она с относительным перемещением частиц компонентов сыпучей смеси с разными цг Следовательно, в общем случае, относительный коэффициент расслоения сыпучей смеси можно определять по формуле (5)

С целью предотвращения явления расслоения сыпучей смеси определены частотные характеристики эквивалентного динамического свода Основываясь на теории проф В А Богомягких, определена частота образования и разрушения эквивалентного динамического свода для п -компонентной сыпучей смеси

Ср Окв

2>.

_ J_

(8)

а также амплитуда его колебаний

fc

I/,

__ J_

ср ока

(9)

Зоной наибольшей интенсивности расслоения смеси является 1/3 часть бункера по его высоте, считая от плоскости его выпускного отверстия, то

есть, та часть бункера, в которой наиболее вероятно образование среднестатистического (эквивалентного) свода

Частотные характеристики туковой сыпучей смеси позволяют создать устройство, предотвращающее (или уменьшающее) расслоение сыпучей смеси при ее истечении из бункера разбрасывателя минеральных удобрений (НРУ-0,5 или МВУ-0,5)

В третьей главе поставлены цель и задачи экспериментальных исследований, использованы оборудование и приборы для проведения исследований, программы и частные методики однофакторных и многофакторных экспериментов В качестве туковых смесей использовались двух и трехкомпо-нентные туковые смеси следующего состава аммиачная селитра, суперфосфат, калийная соль, хлористый калий в соотношениях 1*1 и 1 1 1, с внутренними коэффициентами трения от 0,45 до 0,61, внешними коэффициентами трения tg<p от 0,46 до 0,66 Размеры фракций составляли от 7,0мм до 0,25лш

Коэффициент относительного расслоения смесей сравнивается с известным коэффициентом расслоения смеси по методике ВНИПТИМЭСХ

В качестве факторов, влияющих на расслоение смеси, при проведении многофакторного эксперимента были обоснованно приняты частота колебаний бункера, площадь выпускного отверстия бункера, коэффициенты внутреннего и внешнего трений компонентов смеси туков, их соотношение, а также форма выпускного отверстия бункера. Осуществлялась проверка адекватности модельной и реальной смеси В качестве модельной смеси использовалась смесь из гранул пластмассы и сорго Влажность туковых смесей была равна 0 0,01

В четвертой главе показан анализ результатов исследований Относительно физико-механических свойств компонентов смеси установлено, что их tg у/ и одного порядка и варьируют в диапазоне от 0,46 до 0,66 при их влажности от 0,1 до 0,5% (туки предварительно подсушивались) Кроме того, средний диаметр гранул туков был равен в среднем 5мм

Однородность туковой смеси оценивалась по равномерности распределения одного из его компонентов в общем объеме смеси В результате экспериментальных исследований были получены данные сегрегации смесей, истекших из бункера НРУ-0,5 (МВУ-0,5) в течение 30 с

Из таблицы следует, что, чем больше соотношение компонентов смеси, тем больше коэффициент ее расслоения Обусловлено это тем, что в смеси с большим соотношением ее компонентов больше линий скольжения в емкости и, следовательно, вероятней образование динамических сводов, которые, как уже было обосновано во второй главе, способствуют повышению фрикционной сегрегации туковых смесей Это подтверждено также многофакторным экспериментом, функции откликов которого показаны на рисунках 4,5,6

Таблица 1 - Результаты сегрегации некоторых туковых смесей, истекших из емкости разбрасывателя удобрений НРУ-0,5 за 30 с___

Состав тукосмесей Исходное соотношение компонентов смеси (а + Ь). (а + Ь + с) Конечное соотношение компонентов смеси (,а' + Ь'), (а'+Ь' + с') Время истечения смеси Коэффициент расслоения смеси К'Р

Хлористый калий + Калийная соль 1 . 1 2-1 3 1 1 . 1,5 1 . 1,3 2: 1,7 30 0,33 1,23 1,83

Хлористый калий + Селитра 1 1 1,5 1 30 0,40

Суперфосфат + Калийная соль + Аммиачная селитра 1 1-1 1 3 1 1,5 1 • 1,3 1,3 2,5 1,5 30 0,41 0,71

Суперфосфат + Хлористый калий + Аммиачная селитра 2 1 1 1,7 1,5 0,7 30 0,73

Суперфосфат + Аммиачная селитра + Калийная соль 1 :1 • 1 1 1,1 0,9 30 0,24

Суперфосфат + Калийная соль 2-1 1 : 1,3 30 0,33

Рисунок 4 - Двумерное сечение Рисунок 5 - Двумерное сечение поверхности отклика при поверхности отклика при

-1=0 -2=0

Рисунок 6 - Двумерное сечение поверхности отклика при

_-з=0

¡25/ Ш 21Л 2ЛЬ 2827 П/тоОь Напускного опбе1к.аън. п»'

Круглая Прямоугольная Форма дыпускного отверстия

Хеугяня

609 7й7 ¡257 /ЬпиоА буусчнсго ееверчпия

Из рисунков 4,5,6 следует, что степень фрикционной сегрегации зависит не только от Д((/ и А(р, но также и от формы выпускного отверстия и его площади. Круглая форма выпускного отверстия наиболее рациональна, а увеличение площади выпускного отверстия ведет к повышению сегрегации смесей. Кроме того, установлено, что максимальная интенсивность расслоения туковых смесей наблюдается в 1/3 части бункера по высоте, считая от плоскости его выпускного отверстия (рисунок 7). к,

07 0.6 0.5 0.( 0.1 0.2 V 0

о 1 г 1 < 5 6 1 в 9 ю II ¡г а к е к и

1-экспериментальная кривая;

2-кривая аппроксимации.

Рисунок 7 - График зависимости коэффициента расслоения смеси от высоты расположения слоя над выпускным отверстием

Была осуществлена оценка эффективности технических средств, снижающих расслоение смесей. Использовались устройства с активным приводом (рисунок 8) и упругими элементами (рисунок 9)

Рисунок 8 - Устройство с активным приводом Рисунок 9 - Устройство с упругими элементами

1- корпус бункера; 2- основной вал; 3- дополнитель- 1 - корпус бункера; 2 - консольные пружины;

ный полый вал; 4- консольная спираль; 5- спираль 3 - штыри,

вала; 6- неподвижная втулка; 7- подвижная втулка; 8- упор.

В результате получены графики зависимости (рисунки 10,11,12,13), из которых следует, что представленные устройства позволяют снижать сегрегацию смесей на 20...30%.

! % 55

1 В

а

л I? я

■8 50

Рисунок 10 - График зависимости коэффициента расслоения смеси из гранул мочевины и нитроаммофоски от времени

Рисунок \ 1 - График зависимости коэффициента расслоения смеси из нитроаммофоски и суперфосфата гранулированного от времени

1- в полости бункера без сводоразрушающего устройства;

2- в полости бункера со сводоразрушающим устройством.

Рисунок 12 - График зависимости коэффициента Рисунок 13 - График зависимости коэффициента расслоения смеси из гранул мочевины и нитроаммо- расслоения смеси из нитроаммофоски и суперфос-фоски от времени фата гранулированного от времени

Анализ результатов исследований позволил разработать графоаналитический метод определения относительного коэффициента расслоения туковой смеси (рисунок 14).

к:

п 5 Ю 5 10 Я 30 X Ч) 15

Рисунок 14 - График функции К'р = / (Д///)

Зная внутренние углы трения, например, 1//] = 20° и ц/2 = 25° компонентов двухкомпонентной смеси, определяем &1// = ч/2 =5°. По графику для А!//= 5° определяем К\, =0,15 - коэффициент сегрегации смеси по ее фрикционному составу.

Тогда, не расслоившиеся доли компонентов в смеси бункера:

- для компонента с 1//1 = 20°:

А) = 0,53-АГ;, = 0,53-0,15 = 0,38, (10)

- для компонента с ц/г = 25°:

Д2 =0,64-K'r =0,64-0,15 = 0,49 (11)

Если, например, первоначальное значение соотношения компонентов смесибылоа e = l 1, то их конечное соотношение-а' в' = 1 0,38 1 0,49 Если же, например, было а е = 1 1,5, то а' в' = 1 0,38 1,5 0,49 Тогда, Кр для смеси по ее начальному и конечное соотношениям компонентов, соо тветствен но, о пр ед ел ится -для а.в-\.\, а'.в'= 0,38.0,49

я = 1 0.49-0,38 1 ^

' ев' 1-0,49

-для а в = 1 1,5; а' в'= 0,38 0,74

(12)

1 0,74-0,38 1

' 1-0,74 • -V ;

Для трех компонентной смеси зааачарешается аналогично В пятой главе представлены методика и алгоритм расчета основных параметров и режимов работы технических средств (рисунки 8 и 9), снижающих расслоение туювых смесей Указанные технические средства осуществляют резонансное или оюлорезонансное смешивание компонентов туковой смеси в процессе ее внесения в почву на базе разбрасывателей НРУ-0,5 или МВУ-0,5 Режим их работы должен соответствовать частотным характеристикам ту ювых смесей (формулы 8 и 9)

Колебательный элемент с активным приводом должен иметь следующие кинематические параметры - круговую частоту колебаний - й>0 = 2ят, амплитуду мэлебаний, равную стреле динамического сюда - /а, начальную фазу колебаний - аг^=я/2; уравнение гармонических мэлебаний -х = /0$т(л/2 + 2лу)

Пассивные колебательные элементы представляют собой упругие элементы или элементы супругами связями Их жесткость должна соответствовать периоду «возникновения» и «разрушения» динамического сюда При этом необходимо выполнениеусловия

Ги=1 = 7Л&, (14)

V V с

где т0- масса колебательного элемента технического устройства,

с- жесткость упругого колебательного элемента или его упругой связи

Масса колебательного элемента определяется по его конструктивным параметрам, которые выбираются в зависимости от величины той зоны бункера, где наблюдается наибольшая интенсивность расслоения смеси (1/3 Н6)

В шестой главе показана экономическая эффективность использования в производстве технических средств для снижения сегрегации туковых смесей вбункерах НРУ-0,5 (МВУ-0,5) набазеЗАО «им Ильича» Ленинград-снэго района Краснодарского края

Прибавка урожайности при применении предложенного сводоразру-шающего устройства равна 2,5 %, чистый дисконтированный доход (ЧДД) составляеттыс р)б, асрокоьупаемости капиталовложений - 0,18 года

Общие выводы

1 Принятая модель дисфетного сыпучего тела адекватна реальным смесям и на ее основе можно решать задачи, связанные с их выгрузкой из бункфов сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений вусловиях их фрикционной сегрегации и сводообразования

2 Частицы компонентов смеси с меньшим коэффициентом внутреннего трения в любой части бункера перемещаются к выпускному отверстию с большей скоростью, чем частицы компонентов смеси с большим коэффициентом внутреннего трения Влиянием коэффициентов внутреннего трения частиц компонентов смеси можно пренебречь, если они отличаются друг от друга не бол ее чем на0,01-0,02

3 Снизить расслоение смеси можно путем уменьшения угла наклона образующей стенки бункера к вертикали Этот угол не должен превышать 29-32°

4 Динамическое сводообразование повышает расслоение туковых смесей Для его снижения необходимо, чтобы частота и амплитуда колебаний сводоразрушающих устройств соответствовала геометрическим параметрам бункера и физико-механическим свойствам материалов Среднестатистическая частота колебаний сводоразрушающих устройств не должна превышать 10 Гц, а амплитуда колебаний 10-15лш при их выгрузке из бункеров

5 Оценку степени расслоения смесей можно производить по тангенсу угла наклона касательной к линии изменения соотношения компонентов во времени

6 Наиболее значимыми факторами, влияющими на расслоение смеси при ее истечении из бункеров, являются площадь и форма выпускного отверстия бункера, соотношение компонентов смеси Увеличение производительности выпускного отверстия бункера ведет к возрастанию расслоения смеси Более предпочтительной формой выпускного отверстия является круглая

7 Разработанные технические средства снижают расслоение смесей при их истечении из бункеров на 23-31% Их необходимо устанавливать на 1/3 высоты бункера, считая от плоскости выпускного отверстия бункера Частота колебаний упругих элементов этих устройств должна быть равна частоте возникновения и разрушения динамических сводов (10 Гц, А = 10-15лш)

8 Прибавка урожайности при применении разработанного сводораз-рушающего устройства равна 2,5 %, чистый дисконтированный доход, (ЧДЦ) составляет 864,8 тыс руб, а срок окупаемости капиталовложений - 0,18 года

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1 Корнеев Д В Сегрегация туковой смеси по линиям скольжения ее компонентов / Плешаков В Н , Корнеев Д В // Механизация и Электрификация сельского хозяйства 2007 - № 4

2 Корнеев Д В Исследование процесса сепарации зерновок сквозь слой грубого вороха // РосНИИТиМ Исследование сельскохозяйственных технологий и машин Сборник трудов / РосНИИТиМ - Новокубанск, 2006-С 106-111

3 Корнеев Д В О модели грубого вороха на соломотрясе // РосНИИТиМ Исследование сельскохозяйственных технологий и машин Сборник трудов / РосНИИТиМ - Новокубанск, 2006 - С 116-119

4 Корнеев ДВ Параметры процесса приготовления гранулированных туковых смесей в условиях сегрегации и динамического сводообразо-вания // РосНИИТиМ Машинно-технологическое обеспечение производства сельскохозяйственной продукции Сборник трудов / РосНИИТиМ - Новокубанск, 2007

5 Корнеев Д В К определению образующей стенки бункера / Плешаков В Н Попандопуло К X Корнеев Д В Черкезов В И Чернышенко С Н Титученко А А // РосНИИТиМ Машинно-технологическое обеспечение производство сельскохозяйственной продукции Сборник трудов / РосНИИТиМ - Новокубанск, 2007

Подписано а печать 02 10 2007 г Формат 60x84 ^

Бумага офсетная Офсетная печать

Печ. л. I Заказ № 579 Тираж 100 экз.

01 печатано в типографии КубГАУ 350044, г Краснодар, ул Калинина, 13

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1.0 некоторых аспектах приготовления однородных туковых смесей и основных соотношениях их компонентов

1.2. Анализ исследований процесса истечения сыпучих тел и их смесей из бункеров

1.3. Краткий анализ технических средств для предотвращения для предотвращения сегрегации туковых смесей и явления их сводообразования в бункерах сельскохозяйственных машин

1.4. Выводы по главе и задачи исследований

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ СМЕСИ В БУНКЕРЕ

2.1. Обоснование механической модели гранулированной туковой смеси, находящейся в граничных условиях

2.2. Движение в бункере гранулированной сыпучей смеси как стохастический процесс «возникновения» и «разрушения» динамических сводов

2.2.1. Общее понятие о движении сыпучего тела в граничных условиях

2.2.2. Неустановившийся режим движения сыпучей смеси в полости бункера. «Диффузионная» сегрегация сыпучей смеси

2.2.3. Установившийся режим движения сыпучей смеси в полости бункера. Расслоение смеси по линиям скольжения частиц ее компонентов

2.2.4. Сегрегация туковых смесей в условиях их динамического сводообразования

2.3. Частотные характеристики эквивалентного динамического свода и их роль в приготовлении гранулированной туковой смеси в бункере

2.4. Выводы по главе

3. ОБЩАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований

3.2. Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований

3.3. Методика определения наиболее значимых факторов, влияющих на расслоение смесей при их истечении из бункеров

3.4. Методика планирования экстремального эксперимента

3.5. Методика определения зоны максимальной интенсивности расслоения смеси при ее истечении из бункеров

3.6. Методика экспериментальных исследований эффективности технических средств для снижения расслоения смесей минеральных удобрений

3.7. Методика обработки экспериментальных данных

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Физико-механические свойства гранулированных туков и их смесей

4.2. Результаты оценки однородности туковых смесей, истекающих из бункера НРУ-0,5 (МВУ-0,5)

4.3. О факторах, влияющих на расслоение смесей при их истечении из бункеров

4.4. Проверка адекватности модельной и реальной смесей

4.5. Описание поверхностей откликов функций многофакторного эксперимента

4.6. Определение зоны максимальной интенсивности расслоения смесей при их истечении из бункеров

4.7. Проверка эффективности технических средств, снижающих расслоение смесей

4.7.1. Устройство с активным приводом

4.7.2. Устройство с упругими элементами

4.8. Графо-аналитический метод определения относительного коэффициента расслоения туковой смеси

4.9. Выводы по главе

5. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ СЕГРЕГАЦИИ ТУКОВЫХ СМЕСЕЙ

ПРИ ИХ ИСТЕЧЕНИИ ИЗ БУНКЕРОВ

5.1. Методика и алгоритм расчета основных параметров и режимов работы технических средств, снижающих расслоение туковых смесей

5.2. Расчет технических средств, снижающих расслоение смесей

5.2.1. Устройство с активным приводом

5.2.2. Устройство с упругими элементами

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ СЕГРЕГАЦИИ ТУКОВЫХ СМЕСЕЙ В БУНКЕРАХ

6.1. Общие положения

6.2. Характеристики хозяйства

6.3. Методика расчета экономической эффективности 133 6.4 Показатели экономической эффективности технических средств

Повышение урожайности сельскохозяйственных культур напрямую зависит от обеспечения почв питательными элементами. В связи с тем, что большинство сельскохозяйственных культур требуют одновременного внесения двух и более питательных элементов, то применение смесей минеральных удобрений является актуальным.

Исследованиями [31,129] установлено, что при использовании смесей удобрений наблюдается их расслоение на всех этапах технологического процесса, в том числе и в бункерах машин для внесения удобрений. Последние, как правило, являются одним из основных рабочих органов[40,98]. Они обладают рядом положительных свойств:

- просты по конструкции;

- надежны в эксплуатации;

- могут сочетаться с любыми механизмами непрерывного и периодического действия [20,52].

Однако, бункеры имеют и серьезные недостатки, приводящие к резкому ухудшению их работы. Одним из таких недостатков является выдача неоднородной по составу компонентов смеси, в частности, смеси минеральных удобрений, что, например, при работе туковысевающих аппаратов отрицательно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур [8,11,39,73,123]. Обусловлено это возникающим в бункерах явлением расслоения (сегрегации) смеси на компоненты в процессе ее движения в полости бункера.

Поэтому изучение явления расслоения смесей в бункерах с целью его предотвращения есть важнейшая задача, с одной стороны - качественное приготовление туковых смесей, а с другой - получение высоких и надежных урожаев сельскохозяйственных культур.

Одной из причин некачественной выдачи смеси бункерами сельскохозяйственных машин является то, что при их приготовлении не учитывается особенность движения компонентов смеси, то есть, не учитывается возможность их сегрегации (расслоения). До настоящего времени этот вопрос изучен недостаточно. Отсутствует четкое представление о закономерностях расслоения смесей, истекающих из бункеров сельскохозяйственных машин. Объясняется это тем, что в большинстве работ [14,35], посвященных изучению движения сыпучих тел в бункерах, рассматривается, как правило, однородный сыпучий материал, а не их смеси.

В связи с изложенным, изучение движения туковых смесей в бункерах сельскохозяйственных машин и установок является актуальным, как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Актуальность постановки и решения этой задачи еще более очевидна в настоящее время, когда наметилась тенденция в создании высокопроизводительной сельскохозяйственной техники, включающей сложные бункерные устройства, оборудованные автоматическими и автоматизированными системами управления и регулирования. Кроме того, решение этой задачи ускорит внедрение в производство технологии и технических средств для координатного дифференцированного внесения минеральных удобрений.

Цель исследования - определение основных закономерностей движения компонентов минеральных удобрений в полостях бункеров сельскохозяйственных машин и разработка технических средств для снижения их расслоения.

Объект исследования - процесс движения туковых смесей в полостях бункеров сельскохозяйственных машин.

Предмет исследования - установление взаимосвязей между факторами, влияющими на процесс движения туковых смесей в бункерах сельскохозяйственных машин.

Методы исследования включали аналитическое описание движения частиц компонентов смеси сыпучих тел в полостях бункеров с использованием основных положений теоретической механики, механики сыпучих тел, физики, методов математической статистики, планирования экспериментов, покадровой съемки, стандартных и вновь разработанных методик.

Научная новизна работы состоит в определении аналитических зависимостей, позволяющих описать влияние фрикционных свойств компонентов туковой смеси на ее расслоение, выбрать коэффициент расслоения туковой смеси и определить зоны в бункере наибольшей интенсивности ее расслоения при истечении из бункера.

Практическая значимость работы состоит в разработке технического средства для снижения расслоения туковой смеси при ее истечении из бункера.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- обоснование механической модели гранулированной туковой смеси и ее основных допущений;

- аналитические зависимости, описывающие влияние фрикционных свойств компонентов на движение гранулированных туковых смесей при их истечении из бункеров;

- критерий оценки степени сегрегации гранулированных туковых смесей;

- техническое средство, снижающее сегрегацию смесей гранулированных минеральных удобрений и обоснование его параметров;

- методика инженерного расчета технического средства для снижения расслоения гранулированных туковых смесей при их движении в бункере.

Диссертационная работа выполнена в Ростовском институте повышения квалификации кадров в АПК в соответствии с планом НИР института.

1.4. Выводы по главе и задачи исследований

Анализ работ [9, 10, 14, 20, 23, 34, 35, 37, 53, 75, 99, 100, 103, 129 и др.] показал, что расслоение гранулированных смесей при их истечении из бункерных устройств исследовано недостаточно. Многие авторы лишь косвенно касаются этого вопроса, глубоко не рассматривая его. Поэтому, этот вопрос требует дальнейшего тщательного и внимательного изучения.

Обзор литературных источников и патентов на изобретения позволяет принять гипотезу о том, что интенсивность расслоения смесей минеральных удобрений, истекающих из бункеров, может быть снижена путем использования устройств, параметры и режимы работы которых соответствуют физико-механическим свойствам смесей, находящихся в бункерах.

В связи с этим, в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Обосновать механическую модель гранулированной туковой смеси, раскрывающей физическую сущность ее сегрегации, а также учитывающую сводоразрушающий характер ее истечения из выпускных отверстий бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений.

2. Разработать теоретические предпосылки процесса выгрузки гранулированных туковых смесей из бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений в условиях их сегрегации и динамического сводообразования.

3. Разработать методику инженерного расчета технических средств, снижающих влияние явлений сегрегации и сводообразования компонентов туковой смеси в процессе ее выгрузки из бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений.

При решении этих задач использовалась следующая схема последовательности исследований (рис. 1.9)

ТЕМА

Параметры процесса вьп туковых смесей из бункер машин в условиях их фр сводообр грузки гранулированных ов сельскохозяйственных икционной сегрегации и азования

Анализ состояния вопроса

1. Рабочая гипотеза исследований Задачи исследований Схема последовательности исследованийI

2. Обоснование модели сыпучей гранулированнойсмеси

3. Теоретические предпосылки процесса

4. Экспериментальные исследования

5. Однофакторный эксперимент Многофакторный экспериментисследований

6. Методика инженерного расчета технического средства1.~

7. Экономическая эффективность внедрения в с.-х. производство технического средства

8. Общие выводы диссертационной работы

9. Рисунок 1.9 Схема последовательности исследования процесса

10. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ СМЕСИ В БУНКЕРЕ

11. Обоснование механической модели гранулированной туковой смеси, находящейся в граничных условиях

12. Сегрегация сыпучих смесей это явление их расслоения на отдельные компоненты, отличные по своим физико-механическим свойствам.

13. В настоящей работе исследуются сыпучие гранулированные туковые смеси, компоненты которых отличаются друг от друга только фрикционными свойствами.

14. В соответствии с изложенным, дадим обоснование допущений для дискретного сыпучего тела, которые в своей совокупности составят представление о механической модели гранулированной туковой смеси.

15. Однако, сыпучее тело не лишено и некоторых свойств, характерных для сплошных связных сред, в частности, жидкостей. Оно может течь подобно жидкости, оказывать давление на дно и стенки сосудов, в которые заключено, принимать форму последних 37.

16. Модель характеризуется следующими допущениями:

17. В процессе движения шары компонентов смеси не вращаются 20. Поворот отдельных частиц возможен лишь за счет случайных обстоятельств.

18. В процессе движения плотность смеси не изменяется 20. В состоянии покоя она стремится к утах, а при движении к .

19. Угол укладки шаров смеси сохраняется постоянным и в процессе ее движения при всех возможных перемещениях шаровых частиц смеси в объеме бункера 20.

20. Угол естественного откоса равен приведенному углу внутреннего трения частиц (шаров) сыпучего тела 20. Коэффициенты трения шаров компонентов смеси различны.

21. Данная модель дополнена следующим допущением:

22. В процессе движения смесей удобрений в бункере химическое взаимодействие между компонентами не происходит. Это позволяет рассматривать смесь как частицы с исходными физико-механическими и гранулометрическими характеристиками.

23. Таким образом, указанная модель сыпучего тела достаточно полно отражает реальные свойства смесей сыпучих тел. Это дает возможность исследовать их расслоение на отдельные компоненты при движении в объеме бункера.

24. Основываясь на принятой модели сыпучей смеси, рассмотрим процесс ее движения в граничных условиях (в полости бункера).

25. Движение в бункере гранулированной сыпучей смеси как стохастический процесс «возникновения» и «разрушения» динамических сводов22.1. Общее понятие о движении сыпучего тела в граничных условиях

26. Для объяснения картины этого движения воспользуемся теорией сво-дообразования сыпучих тел в сужающихся бункерах профессора Богомягких В.А. 20.

27. Р2{А{) = 0(А1); />з(А/) = 0(А/); .; Рщ (Д/) = 0(Д/);в) вероятность Рк{&) разрушения А" неустойчивых сводов за промежуток времени не зависит от чередования разрушения неустойчивых сводов до момента 10.

28. Изменения состояния Вероятность перехода

29. Дифференциальные уравнения этого состояния запишутся в следующем виде:щ-а'-Ьх- (л, 2)а' • А? = 2а' • А/щ-а'-ЬХ- (п( п1 )а' • & = п^' • А?

30. Р, (* М) = /> (/XI" ) + Рм (*)«'(/+1)АГ + 0(А!); Р0(/ + М) = Р0(/)! + Рх + 0(М); / > 1.1. Преобразовав их, получим:= -аЩ{1)+а\и\)Р1М / > 1;ш

31. Решим методом производящих функций.со1. Положим Ф(г, 0 = 2^/ У •о1. Заметим, что¿о Л 2 'с^ /=0 ^ «=0то есть,/=0

32. Умножив обе части на г' и просуммировав по / от 0 до оо, получим1. Л = -«¿,/>((у ,1=0 /=0 1=0илиа v ; &

33. Полученное дифференциальное уравнение в частных производных решаем методом Лагранжа.

34. Соответствующее уравнение Лагранжа имеет вид:сс'{г-\)'1. Его решениеа а1. Потенцируя, получим:11. с,1. Откуда1. Сх=(г-\Уа''и1. ФМ^МУ»'').

35. Так как при I О в бункере имеется п1 неустойчивых сводов, то2 '1. Ф(г,о)=Х/>(оуоибо все значения Р,(о) = 0, Рп1 (о) = 1.1. Тогда г"х =q{z-\).

36. Положив 2-Х = у, ч{у) = (1 + ^)"'•

37. При произвольном значении / аргументом функции д является выражение Поэтому в правой части последнего уравнения необходимо, заменить у на значение этого аргумента.1. Получим1. Тогда

38. Ф(z,t)=(l + (z-l)e-a'')n,.

39. Это выражение производящая функция числа разрушающихся неустойчивых сводов в произвольный момент времени при неустановившемся режиме истечения сыпучего тела из выпускного отверстия бункера.

40. Решая ее с позиций теории вероятностей 27., получим

41. Вероятность разрушения всех имеющихся в бункере неустойчивых сводов за промежуток времени / при неустановившемся режиме истечения определится по формуле:

42. Время неустановившегося режима истечения находится из условия Р0 (/) = 1 (вероятность разрушения всех неустойчивых сводов в бункере при неустановившемся истечении равна единице)или

43. Если положить, что количество неустойчивых сводов я, в бункере равно Нб1/ср>™где Нб и / соответственно, высота столба сыпучего тела в бункере и

44. Действительно, частица с большим у/ имеет большую площадь шероховатости и, следовательно, большее вероятное число ее столкновений л, с «препятствием», имеющим, например, площадь АБ, то есть, для двух частиц смеси с разными у/с сили и.>л7.

45. Если предположить, что время «стояния» этих частиц при разовом их столкновении с «препятствием» одинаково и равно Дг, то при щ и п2 их столкновенияхи, • А? > и2 • А?.

46. Диффузионная» сегрегация частиц смесей мало изучена. Она, как правило, наблюдается в момент открытия выпускного отверстия бункера, то есть, при неустановившемся режиме истечения смеси, а также при колебаниях бункера с закрытым выпускным отверстием.

47. Рисунок 2.1 Кадры скоростной киносъемки начала истечения из бункера туковой смеси (суперфосфат + селитра), 1:1) (Из работы профессора В.А. Богомягких и В.Г. Ялтанцева 21.)

48. Как показала скоростная киносъемка (рис. 2.1.), «диффузионная» сегрегация смеси подчиняется стохастическому интегралу Ито 69.

49. Положив в первом приближении /(«,) = к-пп где к = а ^равно значению из формулы (2.1), получимм(/(«,0)=кл3 п,1п1 + ехр 6пи•1пс