автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности погрузчика органических удобрений путем оптимизации параметров фрезерно-шнекового питателя

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Использование органических удобрений в сельском хозяйстве.

1.2. Обзор погрузчиков непрерывного действия для органических удобрений.

1.3. Классификация питателей фрезерующего типа.

1.4. Анализ исследований мощности и производительности погрузчиков непрерывного действия.

1.5. Выводы.

1.6. Цель и задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРНО-ШНЕКОВОГО ПИТАТЕЛЯ

2.1. Конструктивно-технологическая схема фрезерно-шнекового питателя.

2.2. Кинематическое исследование.

2.2.1. Основные параметры фрезерно-шнекового питателя.

2.2.2. Кинематика рабочих органов питателя.

2.2.3. Исследование процесса отделения стружки.

2.2.4. Длина траектории движения зубьев.

2.3. Взаимодействие питателя с грузом и силовой анализ.

2.3.1. Усилие отделения груза от основного массива.

2.3.2. Усилие, необходимое для транспортирования груза шнеком.

2.4. Мощность фрезерно-шнекового питателя.

2.5. Производительность фрезерно-шнекового питателя.

2.6. Выводы.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 83 ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Программа исследований физико-механических свойств навоза.

3.2. Методика лабораторно-полевых исследований.

3.2.1. Описание экспериментальной установки.

3.2.2. Порядок проведения исследований.

3.2.3. Методика планирования лабораторных исследований.

3.2.4. Анализ математической модели.

3.2.5. Программа и методика производственных испытаний.

3.3. Выводы.

4. КРИТЕРИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ СВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 111 ФРЕЗЕРНО-ШНЕКОВОГО ПИТАТЕЛЯ.

4.1. Общие определения.

4.2. Определение критериев подобия.

4.3. Установление критериальной зависимости.

4.4. Выводы.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Физико-механические свойства навоза.

5.2. Результаты лабораторных исследований.

5.2.1. Влияние исследуемых факторов на крутящий момент на валу 129 фрезы.

5.2.2. Анализ математической модели определяющей крутящий 133 момент на валу фрезы.

5.2.3. Влияние исследуемых факторов на крутящий момент на валу 140 шнека. Анализ математической модели.

5.3. Исследование влияния режимных и конструктивных 145 параметров на приводную мощность фрезерно-шнекового питателя.

5.4. Производительность фрезерно-шнекового питателя.

5.5. Результаты производственных испытаний.

5.6. Технико-экономическое обоснование.

Органические удобрения являются одним из эффективных средств повышения плодородия почвы и восстановления ее биологических, химических и физических свойств. Благодаря питательным веществам, которые содержатся в них, создаются благоприятные условия для нормального роста и развития растений.

Норма внесения органических удобрений на поля составляет 3.4-16.5 т/га. в зависимости от возделываемых культур. В последние годы этот показатель катастрофически снизился и составляет не более 1.5 т/га [12], в результате чего состояние почвы и содержание в ней органических веществ сократилось во много раз, а следовательно и уменьшилась урожайность возделываемых культур.

Одной из причин сложившейся ситуации является отсутствие эффективных машин для погрузки органических удобрений. Погрузка, является одним из основных процессов в технологической цепи при внесении удобрений. При этом существующие, серийно выпускаемые погрузчики непрерывного действия, не отвечают требованиям по энергоемкости и материалоемкости.

Выше перечисленные показатели напрямую зависят от заборного устройства-питателя, благодаря которому происходит отделение навоза от бурта. В существующих погрузчиках непрерывного действия питатели выполняют одновременно несколько функций, которые можно разделить:

- отделение и захват груза;

- перемещение отделенных частей к отгрузочному транспортеру;

- разгрузка на отгрузочный транспортер.

При работе с плотным слежавшимся грузом, совмещение всех трех процессов приводит к увеличению конструктивных размеров питателя, что в свою очередь вызывает рост энергоемкости и металлоемкости. Питатели с одним рабочим органом не могут работать с массивами груза высотой 2,2-2,5 м., так как исключается возможность пространственного перемещения рабочего органа.

Одним из направлений совершенствования рабочих органов питателей является создание конструкций, в которых имеются два рабочих органа. Один из которых выполняет функции отделения груза от бурта, второй - перемещение и разгрузку на отгрузочный транспортер. Новые конструктивно-технологические схемы питателей к погрузчикам непрерывного действия, благодаря разделению функций отделения и транспортирования груза позволяют сократить энергозатраты на погрузку и повысить производительность погрузчика, а также расширить область его применения.

Следовательно, можно сделать заключение, что задача разработки нового питателя к погрузчику непрерывного действия является актуальной.

Целью настоящей работы является повышение эффективности погрузчика органических удобрений путем обоснования параметров и режимов работы фрезерно-шнекового питателя.

Исследования проводились на кафедре «Детали машин и ПТМ» СГАУ им. Н.И.Вавилова и в ЗАО «ПМК-51» р.п. Питерка Саратовской области.

В диссертации приведены:

- результаты теоретических исследований рабочего процесса фрезерно-шнекового питателя.

- аналитические выражения перевода режимных и конструктивных параметров экспериментальной модели фрезерно-шнекового питателя к различным типоразмерам производственного образца.

- результаты лабораторно-полевых экспериментов по определению оптимальных режимных и конструктивных параметров фрезерно-шнекового питателя.

- результаты производственных испытаний фрезерно-шнекового питателя к погрузчику непрерывного действия.

- технико-экономические показатели эффективности применения фрезерно-шнекового питателя.

Теоретические исследования проводились на основе известных положений математического анализа, теоретической и прикладной механики, аналитической геометрии. Экспериментальные исследования проводились с применением теории подобия, физического моделирования, планирования и проведением 3-х факторного эксперимента, с использованием ЭВМ при обработке результатов.

Фрезерно-шнековый питатель использовался при погрузке полуперепревшего и перепревшего навоза из навозохранилищ р.п. Питерка Саратовской области.

Расчетный экономический эффект от внедрения погрузчика с фрезерно-шнековым питателем составил 129012 рублей.

Основные положения диссертации доложены на научно-технических конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова в 1998-2001 г.

По результатам выполненной работы опубликовано 4 работы, получено свидетельство на полезную модель РФ № 17522.

На защиту выносятся:

- конструктивно-технологическая схема фрезерно-шнекового питателя, на которую получено свидетельство на полезную модель РФ № 17522;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению оптимальных режимных и конструктивных параметров, приводной мощности и производительности фрезерно-шнекового питателя;

- уравнения перехода к различным типоразмерам и условиям применения погрузчика;

- математические модели, описывающие влияние режимных и конструктивных параметров на крутящий момент и приводную мощность фрезерно-шнекового питателя.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных источников и исследований, посвященных вопросам погрузки органических удобрений, установлено отсутствие эффективного рабочего органа к погрузчику непрерывного действия. Существующие питатели имеют высокую энергоемкость и значительные трудности при работе с буртами высотой 2,2. .2,5 метра.

2. Установлено, что условиям погрузки органических удобрений из прифермерских навозохранилищ и полевых буртов наилучшим образом соответствует новая конструктивно-технологическая схема фрезерно-шнекового питателя (свидетельство на полезную модель № 17523).

3. Теоретические исследования рабочего процесса позволили: установить факторы влияющие на работу питателя, основными из которых являются частота вращения фрезы, диаметр фрезы, частота вращения шнека; получить аналитические выражения для определения площади боковой проекции стружки, длины траектории движения ножа с учетом угловой скорости и радиуса фрезы, угловой скорости и радиуса рычага; получить расчетные формулы производительности и приводной мощности фрезерно-шнекового питателя, учитывающие конструктивные и режимные параметры питателя и физико-механические свойства груза; установить критериальные уравнения связи угловой скорости фрезы, поступательной скорости погрузчика, диаметра фрезы, высоты бурта, производительности и энергоемкости рабочего процесса;

4. По результатам экспериментальных исследований получены математические модели описывающие влияние частоты вращения фрезы, диаметра фрезы, частоты вращения шнека на крутящий момент на валу фрезы и шнека и приводную мощность.

5. Подтверждены теоретические положения и установлено, что минимальные значения крутящего момента и приводной мощности

162 соответствуют значениям соответственно Пфр=0,72 об/с; 0фр=0,83 м; пши=0,88 об/с и ПфР:=0,69 об/с; ВфР=0,84 м; пшн=0,88 об/с.

6. Получены уравнения перехода, позволяющие прогнозировать конструктивные и режимные параметры фрезерно-шнекового питателя при различных условиях применения с сохранением оптимальных значений технико-экономических показателей работы.

7. Производственные испытания позволили установить эффективность погрузчика непрерывного действия с фрезерно-шнековым питателем при работе с буртами органических удобрений высотой 2,2 - 2,5 метра. При работе с полуперепревшим и перепревшим навозом производительность погрузчика 54 кг/с, энергоемкость 341 Дж/кг.

8. Внедрение предлагаемого питателя позволяет снизить приведенные затраты на 34 % и получить годовой экономический эффект 129012 рублей. Срок окупаемости составил 2,93 года.

1. Лукьяненнков И.И. Перспективные системы утилизации навоза.-М.: Россельхозиздат, 1985.-175с.

2. Кругляков М.Л., Кругляков A.M. Механизация подготовки и внесения удобрений. 3-е изд., дополн. и испр. М.:Колос, 1965.-205с.

3. Авдохин Н.С. Научные основы применения удобрений. М.:Колос, 1972.-311 с.

4. Физико-механические свойства растений, почв, удобрений. Под. ред. Булгакова А.И. М.: колос, 1970.-275с.

5. Письменнов В.Н. Получение и использование бесподстилочного навоза. -М.: Росагропромиздат, 1988.-206с.

6. Павлов П.И. Совершенствование технологического процесса уборки навоза и обоснование параметров винтового питателя погрузчика непрерывного действия. Дисс. . канд. техн. наук. Саратов, 1992.-172с.

7. Хитрова Н.В. Повышение эффективности погрузки органических удобрений погрузчиком непрерывного действия и обоснование параметров шнекофрезерного питателя. Дисс. . канд. техн. наук. Саратов, 1997.-156с.

8. Левченко Г.В. Повышение эффективности погрузки органических удобрений погрузчиком непрерывного действия и оптимизация параметров лопастного питателя. Дисс. . канд. техн. наук. Саратов, 1998.-156с.

9. Тищенко М.А., Хлебов Ю.А. Обоснование параметров загрузочного устройства кормовых агрегатов.- Техника в сельском хозяйстве, 1999, №3, с. 20-22.

10. Бузенков Г.М., Евтюшенко Н.Е., Смятиев С. Д. Развитие сельскохозяйственного транспорта.- Техника в сельском хозяйстве, 1999, №3, с. 8-10.

11. Линник Н.К., Ярощук В.А., Высовень В.В., Огородник А.И. Совершенствование технологии приготовления органических удобрений.-Техника в сельском хозяйстве. 1995, №6, с. 22-23.

12. Шайхов М.К., Кузнецов Э.П., Шебалкин А.Е. Новые машины для внесения органических удобрений.- Механизация и электрификация с.х. 1999, №5, с. 8.

13. Елин E.H. Безотходная переработка навозных стоков.- Достижения науки и техника в АПК. 2000, №9, с. 29-30.

14. Карпов А.Т. Универсальный погрузчик добыватель торфа ПДТ-1,5.-Тракторы и с.х. машины. 1963, №3, с. 34.

15. Погрузчик непрерывного действия ПНД-45: Проспект.- М. 1966, с.1.3.

16. A.c. 350411 УССР, МКИ: B65G67/22. Смеситель погрузчик удобрений. Брык Н.И., Шкодин И.И., Василенко Б.П. (УССР)- Опубл. 17.05.72.

17. A.c. 683663 СССР, МКИ: А01СЗ/04. Погрузчик навоза. Текучев И.К, Текучева М.С. (СССР)- Опубл. 05.09.79.

18. A.c. 1846139 СССР, МКИ: А01СЗ/04. Устройство для уборки плотного навоза. Сысуев В.А., Шапкин А.Н. (СССР)- Опубл. 17.03.85.

19. A.c. 553180 СССР, МКИ: B65G67/26. Устройство для выгрузки слежавшихся сыпучих грузов из крытых железнодорожных вагонов. Оханов Л.М., Воронин K.M. (СССР)- Опубл. 16.04.74.

20. А.С. 1454288 СССР, МКИ: А01СЗ/04. Питатель к погрузчику навоза. Курочкин В.М., Эбель Л.Э., Ваганов С.П. (СССР)- Опубл. 30.07.89.

21. A.c. 1470213 СССР, МКИ А01СЗ/04. Погрузчик навоза. Каменовский В.И., Мкртумян B.C. (УССР)- Опубл. 22.11.89.

22. Сельскохозяйственная техника: Каталог. 1 том. М.: 1994.- 364 с.

23. Патент US № 5590754А США, МКИ: B65/G65/02. Конвейер с лопастным загрузочным устройством. Опубл. 7.04.1995 г.

24. A.c. 1523077. СССР, МКИ: А01СЗ/04. Погрузчик смеситель органо-минеральных удобрительных смесей. Кузнецов B.C., Копытин Г.В., Чиженков С.Н. (СССР)- Опубл. 4.08.89.

25. A.c. 1702902A1. МКИ A01C3/04. Погрузчик навоза. Вороницкий И.А., Кольга Д.Ф., Сыман П. Е., Бугаев А. Я.- Опубл. 7.06.92.

26. A.c. 1711702А1. МКИА01СЗ/04. Ковш для удаления овечьего навоза. Леонтьев П.И., Шагдыров И.Б., Дарханов А.И.- Опубл. 18.11.92.

27. A.c. 1727609А1. МКИ А01СЗ/04. Заборный орган погрузчика. Клименко А.И., Курилов А.П., Федотов В.М.- Опубл. 30.04.92.

28. Wylle А. Byrd. SILAGE LOADER, Int. C1 B65g65/06, B65g65/28, US №3724635(8), marz 16.1971.

29. G.Honer. Selbstgebaute Futterferteiler für enge Stalle Top agrar 3 marz. 1998, S.124-127.,

30. Heinrich Wickensaks. Die gleiche Arbeit mit einer anderen Technik. Top agrar, 9 September, 1993, S.83-84.

31. Klaus Schulze Zumkley. Entname der Silage mit einer Fräse. Top agrar, 9 September, 1993, S.84-89.

32. Johann Asen. CCM- Fräse für das Fahrsilo. Top agrar, 2 Februar, 1994, S96-111.

33. H.G. Gerighausen, LK Rheinland. Selbstfahrer statt gezogener Futter mischwagen?. Top agrar, 4 April, 1998, S. 120-123.

34. W.Sturmfels, DLG- Prüfstelle Groß-Umstadt, R.Lenge, top agrar-Redaktion. Die drei Verfahren im Kostenvergleich. Top agrar 4 April,1998, S.123-125.

35. Патент US №9409781 США, МКИ:А01С23/00. Устройство для внесения в почву веществ, улучшающих ее свойства.- Опубл. 30.07.1995.

36. Патент № 4735981 Франция. МКИ: А01СЗ/02. Машина для переворачивания стогов или кип используемого в сельском хозяйстве материала, например навоза. Наименование владельца охранного документа «JEANTIL SA»,-Опубл. 3.05.95.

37. Патент ФРГ №3530452. МКИ:А01К5/00. Устройство для смешивания и распределения кормов для скота. Опубл. 9.08.93.

38. Красников B.B. , Дубинин В.Ф. и др. Подъемно-транспортные машины. МВО: «Агропромиздат», 1987.-271 с.

39. Павлов П.И. Классификация погрузчиков непрерывного действия.// Механизация и электрификация с.х., 1996, №1, с. 21-23.

40. Горячкин В.П. Собрание сочинений- М.:Колос, 1968.-720с.

41. Далин А.Д., Павлов П.В. Ротационные грунтообразующие и землеройные машины.- М.: Машгиз, 1950,- 258с.

42. Павлов Н.В. Исследование энергоемкости процесса погрузки органических удобрений погрузчиками периодического и непрерывного действия. Дисс. . канд. техн. наук.- Рига, 1969.- 215с.

43. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984.- 830с.

44. Пустыгина M.JI. Циклоидальные кривые как основа расчета параметров рабочих органов сельскохозяйственных машин. Тр.МИИСП; Техническая механика в сельскохозяйственном производстве.- М.: 1977. Т. 14. Вып.9, с.5-10.

45. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов. М.: Машиностроение, 1982.- 203с.

46. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. Изд.4.М.: Физматгиз, 1962.-1100с.

47. Проектирование и расчет подъемно-транспортирующих машин сельскохозяйственного назначения. Под ред. Н.Н.Ерохина и A.B. Карпа. -М.:Колос, 1999. 228 с.

48. Григорьев A.M. Винтовые конвейеры. М.: Машиностроение, 1977.183с.

49. Дифференциальное уравнение движения частицы в горизонтальном шнеке при его вращении. Харин В.К. / Механизация погрузочно-разгрузочных и транспортных работ в сельском хозяйстве / Сб.научн. работ, 1983.- с.131-134.

50. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980.- 168 с.

51. Лихачев B.C. Испытание тракторов. М.: Машиностроение, 1974.286с.

52. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980.-304с.

53. Литтл Т, Хиллз Ф. Сельскохозяйственное опытное дело. Планирование и анализ. М.: Колос, 1981.-318с.

54. Методы, приборы и оборудование, применяемые при исследовании и испытании с.х. техники. ЦИНТИМАШ. М. 1961.

55. Митков А .Я., Кардашевский C.B. Статистические методы в с.х. машиностроении. М.: Машиностроение, 1978.-390с.

56. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1967.-158с.

57. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта./ с основами статистической обработки результатов исследований/, М.: Агропромиздат, 1985.-351с.

58. Ренский А.Б., Баранов Д.С., Макаров P.A. Тензометрирование строительных конструкций и материалов. М.: Стройиздат, 1977.- 240 с.

59. Горский В.Г., Бродский В.З. Регрессионный анализ при композиционном планировании 2-го порядка специального вида. Информ. Материалы Научного Совета по комплексной проблеме. М.: Изд-во АН СССР, 1970, №8 (45), с.1-35.

60. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.- 340с.

61. Рогачев А.Ф. Повышение эффективности погрузочно-транспортных агрегатов для затаренных сельскохозяйственных грузов. Дисс. . докт. техн. наук. Волгоград, 1998.-302с.

62. Маркова Е.В., Лисенков А.Н. Планирование эксперимента в условиях неоднородностей. М.: Наука, 1973.- 219с.

63. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981.- 263с.

64. Макаров P.A. Тензометрия в машиностроении. М.: Машиностроение, 1975.- 287с.

65. Коган А.П. Методика определения физико-механических свойств почвы. Сб. научных трудов ВИСХОМа « Физико-механические свойства растений и почвы». М.1963.

66. Никулин С.Н., Варламов Г.П. Физико-механические и аэродинамические свойства органических удобрений. М.: Колос, 1973.- 263с.

67. Рощин П.М. Механизация в животноводстве. М.: Агропромиздат, 1988.-287с.

68. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике.- Изд. 27-е, испр.- М.: Наука, 1986.- 320с.

69. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа.- изд. 3-е, перер.- М.: Наука, 1967.- 368с.

70. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1987.-243с.

71. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М.: Высшая школа, 1973.-285с.

72. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. Изд. 2-е доп. и перер. М.: Высшая школа, 1973.- 262с.

73. Резник Е.И., Зуев В. А. К расчету спирально-винтовых транспортеров сельскохозяйственного назначения. Научн. труды ВНИИ электрификации сельского хозяйства, 1973, т. 32-33.

74. Теория подобия и размерностей. Моделирование. /Алабужев П.М. и др. М.: Высшая школа, 1968.- 208с.

75. Дубинин В.Ф., Павлов П.И. Физико-механические и перегрузочные свойства сельскохозяйственных грузов.: Учебное пособие./СГАУ- Саратов; Саратовская гос. с.х. акад., 1996.- 100с.

76. Физико-механические свойства растений, почв и удобрений. Методы исследования, приборы и характеристики. М.: Колос,-1970.- 424с.

77. Методы определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно исследовательских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. ВАСХНИЛ.-М.: 1980.- 117с.

78. Дубинин В.Ф., Павлов П.И., Хитрова Н.В. Шнекофрезерный питатель погрузчика органических удобрений. Тракторы и сельскохозяйственные машина, 2000, №10. С. 14-15.

79. Павлов П.И., Хакимзянов Р.Р. Погрузчик органических удобрений. Сельский механизатор, 2001, №2. С. 48.170