автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности погрузки органических удобрений погрузчиком непрерывного действия и обоснование параметров шнекофрезерного питателя

Аг

^ На правах рукописи

ХИТРОВА Наталия Валориовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГРУЗКИ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ ПОГРУЗЧИКОМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОФРЕЗЕРНОГО ПИТАТЕЛЯ

05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Саратов 1997

Работа выполнена на кафедре "Детали машин и ПТМ" Саратовского государственного агроинженерного университета.

Научные руководители:

Ведущая организация:

НИИ сельского хозяйства Юго-Востока (г.Саратов)

Защита диссертации состоится 27 ноября 1997 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д-120.04.01 Саратовского государственного агроинженерного университета по адресу 410740, г.Саратов, ул. Советская 60, СГАУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "Щ" октября 1997 года.

Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

В.Ф.Дубинин П.И.Павлов

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

С.А.Ивженко Л.А.Бараноо

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Н.П.Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В системе мер по повышению плодородия почвы важное место отводится органическим удобрениям, которые содержат все питательные вещества, необходимые для развития растений. Поэтому необходимо своевременно и в полном объеме вносить органические удобрения в почву.

До 40% от общего количества органических удобрений скапливается на выгульных площадках и прифермской территории. Отличительной чертой при этом является процесс их образования и накопления. Навоз накапливается в течении стойлового периода и включает в себя значительную часть кормов и подстилки. Во многих хозяйствах вопросы удаления и погрузки органических удобрений из этих мест не решены. В связи с этим удобрения теряются для урожая.

В настоящее время в качестве средств удаления навоза с выгульных площадок и территорий ферм применяются бульдозеры и погрузчики периодического действия. Недостатки этих типов машин связаны с большой энергоемкостью, малой производительностью и с необходимостью дальнейшей погрузки. Результатом погрузки машин периодического действия является плотная, неразрыхлённая масса органических удобрений. В кузове навозоразбрасывателя груз располагается неравномерно и в таком виде подается к распределяющим органам, что приводит к изменению нормы внесения удобрений. Погрузчики непрерывного действия с рабочими органами фрезерующего типа исключают возможность образования неразрыхгённой массы, осуществляют одновременно уборку и погрузку органических удобрений.

Решение проблемы уборки и погрузки органических удобрений с выгульных площадок и территории фермы связано с необходимостью разработки погрузчиков непрерывного действия, оснащенных высокоэффективным питателем, адаптированным к условиям образования и накопления органических удобрений на выгульных площадках. Задача разработки и внедрения в производственный процесс питателей нового типа, позволяющих погрузчикам эффективно работать с плотными связными грузами, является актуальной.

Цепь исследований - повышение эффективности погрузки органических удобрений путем разработки и оптимизации параметров и режимов работы шнекофрезерного питателя.

Объект исследований - технологический процесс погрузки органических удобрений погрузчиком непрерывного действия со шнекофрезерным питателем.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений, законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов планирования многофакторного эксперимента, теории подобия и физического моделирования. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с использованием ЭВМ.

Научная новизна. Разработана и обоснована конструктивно-технологическая схема шнекофрезерного питателя с зубьями, расположенными с опережением и повторением винтовой линии ленты. Получено кинематическое и силовое описание процесса работы. Сформулированы основные закономерности для опреде-

ления производительности, мощности шнекофрезерного питателя, получены критериальные уравнения связи параметров. В результате экспериментов получены математические модели, адекватно описывающие рабочий процесс шнекофрезерного питателя.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Техническое решение, на которое получен патент на изобретение Комитета Российской Федерации по патентам и товарным знакам №2083463 и результаты экспериментальных исследований положены в основу при создании опытного образца шнекофрезерного питателя погрузчика непрерывного действия.

Определены основные конструктивно-технологические параметры шнекофрезерного питателя. Предложенные аналитические выражения могут быть использованы для определения параметров шнекофрезерного питателя на стадии ' проектирования для различных условий применения. Предлагаемый шнекофрезерный питатель погрузчика непрерывного действия испытан в ПСХ "Отроговское" Советского района Саратовской области.

Апробация. Результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях Саратовского государственного агроинженерного университета в 1995-1997г. г. и на расширенном заседании'кафедры "Детали машин и ПТМ" СГАУ в 1997 году.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 5 работ общим объемом 0,69 печатных.листа.

Структура и объем работы. Диссертация включает 5 разделов, общие выводы, список используемой литературы и приложения. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста,

содержит 10 таблиц, 47 рисунков и 6 приложений. Список использованной литературы включает 76 наименований, из них 5 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы и излагаются основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса, цель и задачи исследования" рассмотрены погрузчики непрерывного действия с различными винтовыми и шнекофрезерными питателями, предназначенные для уборки и погрузки плотных слежавшихся органических удобрений, а также технологические схемы накопления, удаления, погрузки, транспортирования и внесения органических удобрений. Приводится классификация винтовых и шнекофрезерных питателей и анализ их работы с точки зрения энергоемкости рабочего процесса и универсальности конструкции.

Проведенный анализ показал, что наряду с преимуществами, присущими отдельным типам рабочих органов погрузчиков непрерывного действия, они обладают рядом недостатков, сдерживающих их применение на погрузке органических удобрений. Исследования, проведенные в области оптимизации процесса погрузки органических удобрений позволили получить ценные рекомендации по совершенствованию рабочего процесса питателей погрузчиков непрерывного действия.

Исходя из результатов анализа литературных материалов и в соответствии с поставленной целью диссертации определены задачи исследования:

- разработать классификацию и выбрать перспекти_ную конструктивно-технологическую схему питателя погрузчика органических удобрений;

- исследовать рабочий процесс шнекофрезерного питателя. Установить кинематические и силовые зависимости взаимодействия питателя и технологической среды, исследовать энергоемкость работы шнекофрезерного питателя и установить критериальные уравнения связи параметров;

- на базе экспериментальных исследований разработать математические модели и установить оптимальные конструктивные и режимные параметры шнекофрезерного питателя;

- провести производственные испытания погрузчика органических удобрений, оснащенного шнекофрезерным питателем, дать технико-экономическую оценку его работы.

Во второй главе Теоретические исследования и основы расчета шнекофрезерного питателя" приведены предлагаемая технологическая схема удаления, погрузки и .транспортирования органических удобрений, конструктивно-технологическая схема шнекофрезерного питателя, теоретический анализ рабочего процесса и обоснование основных энер1етических показателей.

Для погрузчика непрерывного действия разработан шнеко-фрезерный питатель (рис.1), состоящий из вала 1, на котором закреплены кронштейны 2 с винтовой лентой 3. На валу 1 также установлены обоймы 4, в которых закрепляются стойки 5. К стойкам 5 крепятся режущие зубья 6. Причем, обоймы 4 установлены на валу 1 таким образом, что закрепленные на стойках 5 режущие зубья 6 условно повторяют с некоторым опережением винтовую линию ленты, а длина стоек 5 обеспечивает определенное

выступание режущих зубьев за наружную кромку шнека. При работе во взаимодействие с грузом сначала вступают режущие зубья, которые разрушают внутренние связи в плотном слежавшемся

материале и отделяют Рис. 1 Схема шнекофрезерного питателя

1 - вал, 2 - кронштейны, частицы груза от основ-

3 - винтовая лента 4 - обойма, ного массива. Затем в 5 - стойка, 6 - режущие зубья

работу вступает винтовая лента, захватывая и перемещая отделённую массу груза к месту разгрузки питателя.

Кинематическое исследование позволило определить законы движения рабочих органов питателя и получить исходные данные для силового, энергетического, технологического расчетов. Исходная система параметрических уравнений имеет вид: хА=РАСо$«1 + Уп1 Уа =

где т - угловая скорость поворота точки А, с"1 У„ - поступательная скорость точки А, м/с I - время, с

ЯА - радиус поворота точки А. Для дальнейших исследований важно определить площадь боковой проекции стружки, образуемой двумя проходами зубьев и длину траектории зуба при движении в массиве груза.

Боковая проекция стружки (рис.2) определяется как инт гри-рование области, ограниченной двумя кривыми:

5 = ±]у(1)х'(1)й 0^<т -(2)

Подставляя в интеграл параметрические уравнения (1) получим площадь боковой проекции стружки:

Э = — - -- Зтсог + Соэш! (3)

2 4 и

Каждая точка питателя в процессе движения описывает удлиненную циклоиду. Длину дуги циклоиды определим интегрированием параметрических уравнений (1), а также через определение

эллиптического интеграла И рода = |*\/1-гг51пга ба:

где ф = еЛ

(Ядсо + Уп )2

Рис. 2. Схема к определению толщины стружки боковой проекции стружки и длины циклоиды

Взаимодействие шнекофрезерного питателя с грузом включает два основных процесса (рис. 3). Первый связан с поступательным движением питателя и внедрением в груз, второй с вращением рабочего органа и отделением, захватом, транспортированием груза.

У-

¿Со.з£

Рис. 3 Схема взаимодействия винтовой поверхности с частицами груза

Суммарное усилие разрушения всеми зубьями, установленными через равные углы, определяется по формуле:

360

где (р, <р1 - углы расстановки режущих зубьев, град; ор - контактные напряжения разрушения, н/ммг; Ь, Ь - размеры стружки, мм; ФтР - угол трения, град; у - угол атаки режущего зуба.

(5)

Усилив транспортирования должно преодолевать силу инерции, возникающую при разгоне отдельных частей до скорости транспортирования и силу трения движущихся частей по кожуху и винту.

f -

UgCose + ReHÜ^ + ^ + gfe« -(»М ^ + ^CosJbpZK^K,,

2 -_1__(6)

Cosa - f,Sina где

. fi - коэффициент трения груза о винт; - коэффициент трения груза о кожух; Rp=Ra - радиус по режущим зубьям, м; Rbh- радиус винтовой поверхности, м; q>pa, - угол разгона, рад, <рр„ = е +■ <j> р г- плотность, кг/м3;

Ктн - коэффициент внутреннего трения;

Ктр- коэффициент трения внедрения и перемещения;

b -толшина стружки, мм.

е - угол положения точки относительно вертикальной оси ОУ. Для того, чтобы питатель мог захватить груз, его необходимо внедрить в слой материала. При этом происходит разрушение внутренних связей груза и возникают реакции, обуславливающие затраты мощности на данный процесс. Усилие внедрения:

Рвн=АпстКвгрКвдин<*р • (?)

где

Апст- статическая площадь, перпендикулярная направлению поступательного движения. мг;

К0гр- коэффициент трения, создаваемый грузом в межвитковом пространстве;

Квдин- коэффициент площади внедрения, связанный с динамической трансформацией; ар - напряжение разрушения внутренних связей груза, Н/м2. Суммарная мощность, потребляемая шнекофрезерным питателем:

Р^Р.+Ра (8)

где

Р1- мощность, потребляемая винтом питателя; Вт; Рг- мощность внедрения питателя ¡з бурт материала,Вт

Р, = (Рр + РПЕР - с(«р - апф)] (9)

где

Рр- усилие резания, Н;

Рпер - усилие перемещения, П.

Мощность внедрения питателя в бурт навоза

Ра= Рвн\^п=АпстКвгрКвдии^пОр (10)

Производительность шнекофрезерного питателя:

а = § -1 вюср + СОЗФ] • Уок2 (11)

где Уок - окружная скорость движения зубьев;

1 - число зубьев в массиве груза в момент времени I. Энергоемкость питателя есть функция системы параметров:

Е=Г(ОД/п. р, Н) (12)

где Н - высота бурта;

О - диаметр питателя.

С целью сокрзицения факторов выражения, при сохранении информационной ценности каждого из них, воспользовались методами теории подобия и размерности. Для перевода в безразмерную форму несколько видов приняли за базисные основные параметры.

О - м, \/п - м/с, р - кг/м3.

Для однозначности факторов натуры и модели должно сохраниться их геометрическое подобие

к = — (13)

где

к - масштабный коэффициент;.

'«•Ли- линейные размеры модели и оригинала.

Равенство критериев подобия позволило найти связь параметров натуры и модели через масштабные коэффициенты.

Линейная регрессия модели представлена в виде полинома первой степени:

у=Ь0+Ь,х+...+Ькхк+Ь1зХ1Хз+...+Ьк.,„хк.1,( (14)

тогда

Е о Н

ЧГ •

В третьей главе "Методика проведения экспериментальных исследований" изложены методика исследования физико-механических свойств органических удобрений, методика лабораторно-

полевых исследований, описание экспериментальной установки и производственного образца.

Лабораторные исследования проводились на экспериментальной установке (рис.4), позволяющей моделировать рабочий процесс и изменять в заданных пределах режимные и конструктивные параметры питателя.

у*........... 7

вплыл

\ г улсдмекия

чл

Рис. 4 Схема экспериментальной установки

1 - рама, 2 - тележка; 3 - питатель, 4,9 - электродвигатели,

5.10 - редукторы, 6,12 - цепные передачи, 7 - тяговая цепь,

8.11 - тензометрические звенья, 13 - днище.

Экспериментальная установка была оснащена измерительной и регистрирующей аппаратурой: датчиками частоты вращения приводных валов питателя, тензометрическими мостами для измерения крутящего момента на валу винта и тягового усилия перемещения питателя, усилителем "ТОПАЗ-З-01" и осциллографом К-20-22.

Производственные испытания погрузчика непрерывного действия с предлагаемым шнекофрезерным питателем проводились в ПСХ "Остроговское" Советского района Саратовской области.

При экспериментальных исследованиях за критерий оптимизации была принята энергоемкость шнекофрезерного питателя.

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований" изложены физико-механические свойства органических удобрений, результаты лабораторно-лолевых исследований и производственных испытаний шнекофрезерного питателя.

По результатам исследования влияния конструктивных параметров на показатели работы питателя.

Получены зависимости, описывающие изменение энергетических параметров: мощность на валу питателя (Р) и крутящего момента (Т) от числа режущих зубьев и высоты выступания режущих зубьев. Зависимость мощности от указанных параметров может быть представлена в виде уравнений (15) и (16):

Рг = 176.4-23.4450049х+ 4.26875163х2 - 0.276875129х3 (15)

Рд = 176 .4 - 187.560039х+273.200104 х2 -141.760066 х3

Графически полученные зависимости представлены на рис.5.

Р.ь

(Ю

по т не т

Ч.

а

Рис. 5 Зависимость мощности на валу питателя от числа режущих зубьев

м а» о" 1

Анализ зависимости показывает, что существует оптимальное число режущих зубьев, при котором приводная мощность имеет минимальное значение. Для исследуемого шнекофрезерного питателя оптимальное число зубьев на длине одного шага 2=8. Этому количеству соответствует коэффициент перекрытия Х=1. Отделение захватываемой части груза происходит только режущими зубьями, винтовая поверхность шнека, работает только на транспортирование уже отделенных кусков органического удобрения.

Р„ = 171.64 - 2.91200001Х - 0.42хг +2.18х3

РХ = 171.64 - 1020.38786Х - 2074.07404 х2 + 70006.732х3 (16)

Графически полученные зависимости представлены на рис. 6.

Р. 6т

но по т т т

Рис. 6 Зависимость мощности на валу питателя от высоты режущих зубьев

-т

о,о) <}•«

Анализ зависимости мощности от высоты режущих зубьев показывает, что существует оптимальный диапазон высоты выступления режущих зубьев за наружную кромку шнека. При исследовании взаимодействия режущих зубьев питателя с грузом установлено,

что оптимальным является вариант, когда частицы груза отделяются от массива до вступления в работу винтовой поверхности шнека. Это условие и обеспечивается установкой режущих зубьев с опережением винтовой поверхности и выступанием за наружную кромку шнека. Мощность и крутящий момент на валу питателя достигают оптимального значения при выступлении режущих зубьев за наружную кромку шнека исследуемого питателя Ь)= 20.. ,25мм.

Для шнекофрезерных питателей в общем случае рекомендуемые пределы коэффициента высоты х. = 0,09...0,1.

Исследование режимных параметров заключается в поиске оптимальных значений угловой и поступательной скоростей, соответствующих минимальным затратам энергии на выполнение рабочего процесса при постоянной-производительности подачи.

Визуальные наблюдения за процессом работы шнекофрезер-ного питателя показывают, что при малой угловой скорости (ы<2 с ') происходит забивание винта поступающим материалом и нарушается нормальное протекание рабочего процесса. При большой угловой скорости (ш>6,5 с"1) груз за счет центробежных сил частично выбрасывается из межвиткового пространства обратно в бурт.

Определение зависимости суммарной мощности от режимных параметров является одной из основных целей исследования и необходимым условием для определения важнейшей характеристики процесса - энергоемкости.

Уравнение, описывающее изменение суммарной мощности, имеет вид:

Pz = 30690V2 01 + 22,8(ш - 7,88V - 4,222)

2.31

(17)

Минимум функции Р(ы, V) достигается при <о= 7,88V + 4,222 При этом значение функции Pj; = 30690V281. Анализ уравнения (17) и его графической интерпретации (рис.7) позволяет сделать вывод о наличии оптимальной области по затратам потребляемой питателем мощности от соотношения угловой скорости винтовой

фрезы и поступа-

Т, Вг

Рис. 7 Поверхность отклика, ризующая суммарную питателя

характе-мощность

тельной скорости ее движения в направлении слоя груза. Оптимальное соотношение 33...35. Изменение этого соотношения в большую сторону ведет к увеличению динамической площади внедрения питателя в слой материала, а также возможно выбрасывание частей груза обратно в бурт за счет центробежных сил. Изменение соотношения в сторону, меньшую от оптимального, приводит к

росту потребляемой мощности за счет увеличения заполнения межвиткового пространства и, соответственно, к росту крутящего момента и усилия внедрения.

Важнейшим критерием степени оптимизации рабочего процесса шнекофрезерного питателя является энергоемкость.

р

— = 4620Х/26' + 36,7(о> - 7,88V - 4,222)

2 05

(18)

Минимум функции — (оД) достигается при ы = 7,88\/ + 4,222

При этом значении

функции — = 4620У261

Анализ зависимости (рис.8) показывает, что изменение соотношения скоростей от оптимального в большую или меньшую сторону приводит к росту энергоемкости и, следовательно, к снижению эффективности работы питателя.

Результаты производственных испытаний свидетельствуют, что погрузчик обладает высокой мобильностью,

и), с*

Рис. 8 Исследование влияния режимных параметров на энергоёмкость питателя

маневренностью. Его производительность за час чистого времени составила при уборке 50 т/ч, при погрузке - 90 т/ч. Энергоемкость питателя при удалении навоза с выгульных площадок составила 302,4 Дж/кг.

В пятой главе "Технико-экономическое обоснование" определена экономическая эффективность погрузчика непрерывного действия, оснащенного шнекофрезерным питателем в процессе уборки навоза с выгульных площадок и прифермской территории.

Результаты расчета отражены в выводах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных источников и производственного опыта установлено отсутствие эффективного рабочего органа к погрузчику непрерывного действия для погрузки органических удобрений с выгульных площадок.'

2. Установлено, что для погрузки слежавшегося органического удобрения лучшим образом соответствует конструктивно-технологическая схема нового шнекофрезерного питателя с режущими зубьями, расположенными с опережением и повторением винтовой линии ленты (патент №2083463).

3. Теоретические исследования рабочего процесса позволили получить:

- кинематические зависимости выражения для определения толщины и площади боковой. проекции стружки, длины траектории движения зубьев;

- основные параметры, влияющие на работу питателя: угловая скорость рабочего органа, поступательная скорость, число

режущих зубьев, высота выступания зубьев за наружную кромку шнека;

- аналитические выражения для расчета усилий взаимодействия с грузом, производительности и приводной мощности шнекофрегерного питателя;

- критериальные уравнения связи параметров, учитывающих поступательную и угловую скорости, диаметр рабочего органа, высоту бурта, позволяющие перейти от модели к производственному образцу.

4. Энергоемкость рабочего процесса минимальна при числе режущих зубьев на длине одного шага 2=8, коэффициенте перекрытия Х=0,9...1,0, высоте выступания режущих зубьев за наружную кромку шнека Ь=20...25 мм, коэффициент высоты х= 0,09...0,1.

5. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние на силы взаимодействия с грузом, производительность, мощность и энергоемкость шнекофрезерного питателя соотношения поступательной и угловой скоростей. При поступательной скорости в диапазоне от 0,07 до 0,15 м/с оптимальное соотношение составляет 33...35. Затраты мощности на выполнение рабочего процесса при этом минимальны, энергоемкость составляет 90...200 Дж/кг.

6. Производственные испытания позволили установить максимальную производительность погрузчика со шнекофрезерным питателем при уборке навоза на территории фермы 50 т/ч. Наименьшая энергоемкость шнекофрезерного питателя составила при уборке и погрузке органических удобрений 302,4 Дж/кг.

7. По результатам производственных испытаний и расчетам технико-экономической эффективности установлено, что внедрение предлагаемого шнекофрезерного питателя позволяет:

- удалять с территории фермы до 95% имеющихся органических удобрений;

- снизить энергоемкость процесса удаления на 30%;

- годовой экономический эффект с учетом роста производительности труда и снижения затрат топлива составил 2,7 млн.руб.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Патент №2083463, заявка №95101440. Шнекофрезерный питатель / Павлов П.И., Хитрова Н.В., - Бюллетень, №19, 1997.

2. Эффективный питатель погрузчика непрерывного действия (Механизация животноводства: Сб.науч.работ). Саратов.гос.с.-х. акад. им.Н.И.Вавилова. Саратов, 1994. - с.122-126.

3. Фреза к погрузчику навоза. Информ.листок Саратовского ЦНТИ. - 1995. - №32-95. (Соавторы Павлов П.И., Гавриков А.Г.).

4. Технология погрузки и внесения навоза. Информ. листок Саратовского ЦНТИ. - 1996. - №94-96. (Соавторы Павлов П.И., Левченко Г.В.).

5. Погрузчик органических удобрений. Информ.листок Саратовского ЦНТИ,- 1997. - №45-97. (Соавтор Павлов П.И.).

Подписано к печати 21.10.97. Формат 60x84/16 Бумага офсетная №1. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100. Заказ 424.

Подразделение оперативной полиграфии Саратовского ЦНТИ, 410600, г. Саратов, ул. Вавилова, 1/7.