автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности технологического процесса приготовления почвенных смесей путем обоснования конструктивно-режимных параметров погрузчика-смесителя

Везиров Александр Олегович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ СМЕСЕЙ ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОГРУЗЧИКА-СМЕСИТЕЛЯ

Специальность 05.20.0! -Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19 ДЕК 2013

005544352

Саратов 2013

005544352

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Левченко Галина Викторовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заведующий

кафедрой «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК» ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» Демин Евгений Евгеньевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГНУ «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Российской академии сельскохозяйственных наук» Худяков Владимир Васильевич

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия».

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ».

Отзывы на автореферат направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1. E-mail: chekrnarev.v@yandex.ru.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Василий Васильевич Чекмарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Производство овощей в теплицах является эффективным способом снабжения населения свежей продукцией в течение всего года независимо от погодных условий. Помимо овощей в теплицах выращивают цветы, рассаду и другие виды продукции растениеводства. В настоящее время площадь закрытого фунта в России составляет около 2,9 тыс. га. Всего в закрытом фунте выращивают 12 % огурцов и томатов, производимых в России. К 2020 г. планируется производство овощей закрытого фунта увеличить в 3,5 раза.

Однако выращивание продукции в закрытом грунте требует болыцого объема работ с почвой, подготовка которой является очень важной операцией в технологическом процессе тепличного производства. От нее во многом зависит будущая урожайность выращиваемых культур. Почва для теплиц представляет собой смесь нескольких компонентов: торфа, навоза, чернозема, песка, опилок, минеральных удобрений и др. Эти компоненты должны быть хорошо переме-щаны и распределены по площади теплицы.

В настоящее время специальных машин для работы с почвой в теплицах серийно практически не выпускается. Для этого приспосабливают машины другого назначения, например выгрузчик МВС-4, пофузчик ПНД-250. Однако эти машины не обеспечивают необходимого качества смешивания, поэтому доводить почву до требуемого состояния приходится с использованием ручного труда. Это приводит к росту затрат на приготовление почвенной смеси и на производство продукции в целом. Таким образом, разработка и обоснование параметров пофузчика-смесителя для приготовления почвенной смеси в теплицах, позволяющего полностью механизировать данный процесс, повысить производительность и снизить себестоимость готовой продукции, являются актуальными направлениями исследований.

Степень разработанности темы. Разработан ряд конструктивно-технологических схем пофузчиков-смесителей, изучено взаимодействие их рабочих органов с органическими удобрениями. Однако пофузчики-смесители органических удобрений не в полной мере соответствуют условиям работы в теплицах и не позволяют готовить качественную почвенную смесь, соответствующую афотехни-ческим требованиям для использования в теплицах. Исследований процесса смешивания, направленных на обоснование параметров мобильных пофузчиков-смесителей почвы для теплиц, в настоящее время недостаточно.

Цель работы - повышение производительности и качества приготовления почвенных смесей для теплиц путем обоснования конструктивно-режимных параметров пофузчика-смесителя.

Задачи исследования:

провести анализ существующих технологических схем и технических средств для приготовления почвенных смесей и определить причины их недостаточной эффективности;

обосновать конструктивно-технологическую схему погрузчика-смесителя с рабочим органом, обеспечивающим повышение производительности и качества приготовления почвенных смесей;

теоретически исследовать процессы взаимодействия рабочего органа с компонентами почвенной смеси и получить аналитические выражения для определения производительности и конструктивно-режимных параметров;

получить экспериментальные зависимости и описывающие их вероятностно-статистические модели производительности, качества смешивания и технологических параметров почвенной смеси от конструктивных и режимных параметров для компонентов с различными физико-механическими свойствами;

провести производственные испытания погрузчика-смесителя и дать технико-экономическую оценку эффективности его использования.

Объект исследования - технологический процесс смешивания компонентов и погрузки почвенной смеси для теплиц.

Предмет исследования — закономерности изменения производительности, качества смешивания компонентов почвенной смеси, ее воздухоемкости и вла-гоемкости от конструктивных и режимных параметров рабочего органа погрузчика-смесителя.

Научная новизна работы заключается в обосновании конструктивно-технологической схемы погрузчика-смесителя, его рабочего органа и исследовании технологического процесса смешивания и погрузки почвенной смеси; получении аналитических и экспериментальных зависимостей производительности и качества смешивания; теоретическом и экспериментальном обосновании оптимальных режимных и конструктивных параметров предлагаемого погрузчика-смесителя.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивных и режимных параметров, результаты которого приняты за основу при создании опытного образца погрузчика-смесителя со шнекофрезерным рабочим органом. Предлагаемый погрузчик-смеситель применяли при приготовлении почвенных смесей в ОАО «Совхоз - Весна» Саратовского района Саратовской области. Полученные результаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями при определении параметров погрузчика-смесителя для различных условий на стадии проектирования.

Методология исследований основана на методах системного анализа и включает в себя теоретическую и экспериментальную составляющие. Теоретические исследования проводили на основе математического анализа с использованием положений классической и прикладной механики. Экспериментальные исследования проводили в производственных условиях тепличного хозяйства с использованием теории планирования многофакторного эксперимента и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы погрузчика-смесителя со шнекофрезерным рабочим органом;

аналитические и регрессионные выражения, описывающие влияние основных конструктивных и режимных параметров на производительность и качество смешивания;

результаты теоретической и экспериментальной оптимизации конструктивных и режимных параметров.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения работы были доложены на конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской работы ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (Саратов, 2008-2012); на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию профессора В.Ф. Дубинина (Саратов, СГАУ, 2010); на Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2010); на Международном научно-техническом семинаре им. В.В. Михайлова «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (Саратов, СГАУ, 2012); на Международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения профессора В.В. Красникова «Новые технологии и технические средства в АПК» (Саратов, СГАУ, 2013). Проект «Погрузчик-смеситель тепличного субстрата» был представлен в 2011 году на VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций и награжден бронзовой медалью и дипломом третьей степени. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали требуемую сходимость. Разработанный погрузчик-смеситель для приготовления почвенных смесей прошел производственную проверку в ОАО «Совхоз - Весна» Саратовского района Саратовской области.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель (№ 117906 и № 119337). Объем публикаций составил 1,7 печ. л., из которых 0,9 печ. л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем - 131 страница машинописного текста и 7 приложений. Основной текст изложен на 116 страницах, содержит 6 таблиц и 43 рисунка. Список литературы включает в себя 131 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» на основании анализа существующих исследований, литературных источников и производственного опыта установлено, что наряду с выращиванием овощей гидропонным способом в тепличном производстве остается широко распространенным традиционный способ выращивания - в защищенном грунте. Приготовление грунта или почвенной смеси для теплиц является трудоемкой и затратной операцией. Мобильные погрузчики-смесители имеют существенные преимущества, однако исследований с целью обоснования их рабочих органов для теплиц не достаточно. Вследствие этого применяемые погрузчики имеют параметры, не соответствующие эффективным значениям.

Значительное количество работ посвящено изучению теории работы погрузчиков органических удобрений. К ним относятся работы A.A. Артюшина, Н.М. Марченко, A.A. Ковалева, Н.Г. Ковалева, И.И. Лукьяненкова, Г.И. Личма-на, Н.К. Линника, Н.В. Павлова, В.Ф. Дубинина, П.И. Павлова, Е.Е. Демина, P.P. Хакимзянова, Г.В. Левченко, Н.В. Хитровой, Л.В. Гвоздевой и др.

Анализ технологического процесса производства сельскохозяйственной продукции в условиях защищенного грунта показал, что для механизации основных процессов используют в основном технические средства открытого грунта. Для приготовления почвенных смесей применяют погрузчики органических удобрений. Однако качественные показатели получаемых смесей не всегда соответствуют агротехническим требованиям. Данные погрузчики предназначены для работы с большими объемами органических удобрений в условиях крупных хозяйств. Поэтому основные исследования были направлены на получение высокой производительности и на снижение энергоемкости. Процесс смешивания и качественные показатели исследованы в меньшей степени. Рабочие органы, эффективные для погрузки навоза могут быть не достаточно эффективными при приготовлении почвенных смесей.

Во второй главе «Теоретическое исследование процесса смешивания компонентов и погрузки почвенной смеси погрузчиком-смесителем» на осно-

ваннн анализа научных и теоретических исследований представлена разработанная конструктивно-технологическая схема погрузчика-смесителя со шненовым рабочим органом.

Погрузчик-смеситель (патент на № 119337) почвенной смеси состоит из базового трактора 1 (рисунок 1) и шнекового рабочего органа 2, приводимого во вращение от вала отбора мощности трактора через цепную передачу и конический редуктор. В состав погрузчика также входит отгрузочный ленточно-планчатый транспортер 3, приводимый в движение гидромотором и цепной передачей. Элементы погрузчика соединены обшей рамой 4.

рабочий орган; 3 - отгрузочный ленточно-планчатый транспортер; 4 - общая рама;

5 - опорное колесо

Захват и перемешивание почвенных компонентов погрузчик-смеситель выполняет шнековым рабочим органом (патент на полезную модель № 117906) оснащенным зубьями с режущими поверхностями специальной формы (рисунок 2). Зубья отделяют части компонентов от основного массива и измельчают.

Рисунок 2 - IIIискомый рабочий орган: 1.8- цапфы; 2 - вал; 3,9 - лопасть; 4 пруток; 5 >у6 со стойкой; 6 иггифт, 7 основание

Исходя из требуемой производительности погрузчика-смесителя 120... 140 т/ч обоснован диаметр шнека I) = 0,8 м. Ширина захвата определена из условий

работы в теплицах, ширины бурта и теплицы и составила В = 1.8 м. Величина угла наклона винтовой поверхности шнека принята 40°.

Взаимодействие рабочего органа с компонентами почвенной смеси начинается с внедрения режущей кромки зубьев (рисунок 3).

Усилие на зубе А\, Н:

^ = /?р 51П(фтр + = орМ5т(<р,р + (I)

где /?р - реакция; угол трения почвенного компонента по стали; у - угол при вершине зуба; ор - напряжение резания; Ь толщина режущей кромки, мм; В - ширина зуба, мм.

Суммарное усилие Н, резания всеми зубьями в момент времени /:

Е/г,=г,о,Ьвяп(Фтр+|), (2)

где г, - число зубьев в массиве груза в момент времени Л

Качество смешивания зависит от степени крошения компонентов почвы. При высокой степени крошения компоненты при движении взаимно проникают и смешиваются между собой. Влияние параметров зуба на качество смешивания связано с траекторией движения частиц по поверхности зуба после отделения. Траектория в свою очередь определяется формой зубьев. Исследовали плоскую форму зубьев с углом к радиусу 90°. В этом случае отделяемый материал скользит по поверхности зуба. При плоской форме зуба с углом наклона менее 90е траектория движения имеет вид ломаной линии. Наилучшее крошение достигается при криволинейной форме зубьев. В этом случае площадь взаимодействия зуба с отделяемым компонентом значительно больше, соответственно больше усилие, передаваемое на материал. При движении материала по

криволинейной поверхности происходит постоянно« воздействие зуба, что обусловливает высокую степень крошения и смешивания.

Суммарная сила F& действующая со стороны зуба при внедрении в массив:

Fi =/\ + + F, = ОрДЛ + k,gmf+ cwl,. (3)

где F. - усилие на режущей кромке iy6a, Н; F^ - сила трения по поверхности зуба, Н; к/ - коэффициент, учитывающий влияние положения зуба; g -ускорение свободного падения; т - масса отделяемого компонента смеси, кг;/- коэффициент трения почвенного компонента по стали; а« - напряжение сжатия при разрушении отделяемого компонента почвенной смеси, Па; Л,- площадь поверхности зуба, м\

В результате анализа напряженного состояния и деформации отделяемой стружки устаноаюны значения: радиуса кривизны зуба Я„ которое составило 0,2 радиуса рабочего органа; угла при вершине зуба у 110°; угла заточки а = 60°.

Производительность Q погрузчика-смесителя определили как массу т (кг) почвенной смеси, отгруженной в единицу времени / (с):

Q - т/1. (4)

Масса почвенной смеси т может быть определена исходя из плотности и обьема отделенных компонентов. Если в смеси п компонентов, то ее масса:

«=(р1И1+р2И2+....+рЛ), (5)

где У). I';.... Уя - отделяемый объем 1-го. 2-го ... я-го компонента, м':

(6)

pi, Рз.... р, - плотность 1-го. 2-го ... л-го компонента, кг/м\

В процессе работы рабочий орган совершает вращательное движение вокруг своей оси и поступательное движение вместе с погрузчиком В результате суммы этих движений каждая точка описывает циклоидальную кривую в двухмерной системе координат. Ось X проходит через ось рабочего органа погрузчика горизонтально в направлении его движения (рисунок 4). Угол врашения для удобства расчетов отсчитывается от оси Y по часовой стрелке. При таком выборе системы координат траектория перемещения зуба рабочего органа погрузчика может быть описана системой параметрических уравнений:

{.г = Я sin со/ -»-V/; ^

у = /?(| + cos со/),

где v- скорость движения погрузчика, м/с; со - угловая скорость вращения рабочего органа погрузчика, рад/с; R - радиус рабочего органа по режущим зуэьям, м.

Рисунок 4 - Схемы взаимодействия рабочего органа с компонентами почвы: а - технологическая. 6 - кинематическая

Площадь А, поперечного сечения ерем /-го слоя вычисляется по формуле: А, — — (8)

где 5, - величина определенного интеграла для фигуры, образуемой дугой -траекторией движения ;'-го зуба: 5Л - величина определенного интефала для дуги - траектории второго зуба, отстоящего от »-го на л/4. Определенный интеграл для 5, имеет вил:

5,= ]!г(/)^с1/= '/(Летом +у*Х-Лш5шш/)с1/ = С, ^

'(♦I , , 'м

- { Я <л$т «МёГ- / ДУХО/эт сига/. (9)

Проинтегрируем выражение (9), получим площадь /-й фигуры:

5,=

Я2ш Я2

«V . Т'-'

Г--ЯП ОМ

<° Л',

1+—^П2Ш1 + ЯУ1со$Ш1--втамЦ (10)

Находя значения тригонометрических функций в момента времени, когда зуб погрузчика достигает точек соответствующих верхним слоям, и подставляя их в формулу (10), получим:

II

(II)

Траекторию перемещения следующего зуба, отстоящего от предыдущего на величину дуги, равную я/4, можно описать уравнениями:

уР = я(| + со5ш/)с

(12)

-'(^•тН^г)^-^^-''

(13)

Разность между интегралами и Я» равна плошали поперечного сечения среза /-го слоя:

1'1П !■ . — 1' I

(14)

, _ с с _ У*0у>1 -У,)

Тогда с учетом выражения (14) объем отделяемого послойно уложенного компонента почвы:

V л,

2т

(15)

Выражение (5) для определения массы почвенной смеси, состоящей из п компонентов, примет вид:

2ш 2 СО

2ш

(16)

Производительность погрузчика для смеси, состоящей из п компонентов при количестве зубьев г. одновременно выполняющих отделение и с учетом коэффициента их влияния К.:

<2. - (рЛ ♦ Р:^ + ••••+РЛ )" - <РА ♦ Р* +

+Р„Д/71(>'',:'~->'я))-^-/л (П)

2о>

где /- время прохождения зуба через все п компонентов почвенной смеси.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» излажены программа и методика исследований и производственных испытаний, дано описание объектов исследований и экспериментального образца предлагаемого погрузчика-смесителя (рисуиок 5).

Рисунок 5 - ОбшиП вид погрумим-смесителя почвы для теплин

В ходе исследований установлены физико-механические свойства компонентов и получаемых почвенных смесей: влажность, плотность, коэффициент трения, сопротивление деформациям (сжатию и сдвигу). Кроме физико-механических большое значение имеют технологические свойства, определяющие качество приготовленных смесей. Основные из них - качество смешивания компонентов, характеризуемое коэффициентом качества смешивания К; влагоемкость, воздухоемкость. Коэффициент качества смешивания А' показывает количественное содержание «ключевого компонента» в различных точках готовой почвенной смеси по отношению к его возможному содержанию при теоретическом распределении.

В соответствии с задачами, поставленными в работе и теоретическими разработками, программа исследований включала в себя серию двух- и однофак-торных экспериментов. В ходе двухфакторного эксперимента изучали влияние на критерии оптимизации конструктивных и режимных параметров: частоты врашення шиекового рабочего органа и количества зубьев. В однофакторном эксперименте исследовали влияние формы зубьев. Были изучены три формы

зубьев: плоская с углом наклона к оси стойки (радиусу рабочего органа) 90°; плоская с углом наклона 70°; криволинейная в виде сектора цилиндрической поверхности с радиусом кривизны, равным 0,2 радиуса рабочего органа. Форму зубьев задавали их сменой в основаниях рабочего органа.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований физико-механических свойств компонентов и почвенных смесей, приготовленных с помощью предлагаемого погрузни-ка-смеситель: торфа, навоза, минеральных удобрений, чернозема, песка, опилок; приведены результаты экспериментальных исследований.

Большое влияние на производительность и качество смешивания оказывают конструктивные параметры и форма режущих зубьев. Результаты исследований формы зубьев представлены в виде диаграмм на рисунках 6 и 7.

Q. wie 17

»5

II

II

2«

27

23

Рисунок 6 - Производительность ПО|ру»ЧИКа-СМСС11ТСЛЯ с различной формой зубьев рабочею ор<ана: а - плоская с углом наклона к оси стойки (радиусу рабочего органа) 90"; б - криволинейная в виде сектора цилиндрической поверхности; в - плоская с утлом наклона к оси стойки 70е

к

ал а* «I о •

Рисунок 7 - Коэффициент степени смешивания для различной формы зубьев

На диаг рамме 6 отражена производительность погрузчика-смесителя при различной форме зубьев. Производительность погрузчика с зубьями плоской

1 h 1

-

а в а

формы (см. рис. 6, а) несколько больше, чем при оснащении его зубьями другой формы (см. рис. 6, б, в), поскольку плоская форма зубьев обеспечивает меньший рабочий зазор между наружной кромкой шнека и кожухом. Однако наибольшая степень смешивания компонентов почвы достигается при криволинейной форме зубьев в виде сектора цилиндрической поверхности. Такая форма наряду с отделением частей компонентов от массива обеспечивает их крошение и смешивание до вступления в работу винтовой поверхности шнеков. Величина ко>ффициеита смешивания компонентов смеси составила 0,96-0,98, что соответствует агротехническим требованиям (0,9-0,95).

Экспериментальные исследования позволили установить влияние наиболее значимых факторов: частоты вращения рабочего органа п и количества зубьев г на нем на производительность погрузчика-смесителя, коэффициент смешивания, влагоемкость и воздухосмкость почвенной смеси.

Уравнение регрессии в раскодированном виде, описывающее характер изменения производительности при изменении указанных параметров имеет вид:

£? - 0,303363/1 - 0,00057287/<г + 0.25694В - 0.0087963Я2 - 4.59939. (18)

Графически данная зависимость представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Зависимость производительности смесителя-погрузчика от частоты вращения шнекоиой фрезы л. мни'1 (фактор А) и количества 1)6ьев г (фактор В) при скорости подачи 0,05 м'с

Полученное уравнение (18) и соответствующая ему трехмерная поверхность показывают наличие экстремума по обоим исследуемым факторам. С ростом частоты вращения производительность сначала увеличивается. Затем при частоте вращения 290...310 мин"1 достигает максимума, а при увеличении ча-

стоты вращения более 310 мин 1 начинает снижаться. Зависимость производительности от количества зубьев также имеет нелинейный характер.

Зубья способствуют отделению и захвату частей смешиваемых компонентов, поэтому максимальная производительность наблюдается при наибольшем количестве зубьев, работающих без перекрытия. Для данного рабочего органа с шириной захвата 1,8 м оптимальное количество зубьев : = 22..24. Производительность при этом составила 39.2 кг/с.

Также в результате проведенных экспериментальных исследований и обработки опытных данных получена зависимость коэффициента степени смешивания от частоты вращения и количества зубьев, которая описывается уравнением регрессии:

К т 0.005398Л -1,03322£-05Л;+ 0.010753268/?- .—

- 0.0002269йг + 0,152166097. (19)

Зависимость (19) в графическом виде представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Зависимое!! коэффициента смешивания А'от факторов Лий при скорости подачи 0,05 м/с

Наилучшее качество смешивания обеспечивается при максимальном количестве зубьев, работающих без перекрьиия зон резания. При дальнейшем увеличении количества зубьев ово почти не меняется. Без оснащения рабочего органа зубьями при частоте вращения 219 мин 1 К = 0.851; при 2 = 24 и той же частоте вращения - К= 0,954.

Для предлагаемого шнека максимальное количество зубьев :„„,= 24. Объясняется это тем, что зубья при работе выполняют основную функцию отделе-

ния и измельчения компонентов. Хорошо измельченные компоненты лучше перемешиваются зубьями и шнеком. Аналогично изменяется качество смешивания при изменении частот« вращения. При увеличении частоты вращения шнека коэффициент качества смешивания сначала растет, достигает максимального значения при п ш 280...300 мин"', а затем начинает снижаться. Рост степени смешивания при увеличении частоты вращения с 150 до 260 мин 1 объясняется улучшением отделения и «змельчеиия компонентов почвы. Однако при большой частоте вращения (более 320 мин ') процесс смешивания нарушается, коэффициент степени смсшнзания уменьшается.

В результате экспериментальных исследований получены зависимости влагоемкое™ и воздухоемкости почвенной смеси от частоты вращения количества зувь-ев. При частоте вращения рабочего органа и количестве зубьев, соответствующих .максимальной производительности и наилучшему качеству смешивания, значения этих показателей также соответствуют требованиям, предъявляемым к почвенным смесям для теплиц (воздухосмкость - 25 %. влагоемкость - 40 %).

Проведена оценка сходимости теоретических и полученных экспериментальных зависимостей (рис. 10). Расхождения не превышают 5 %.

О

кг/cJ

W 30 20 Ю

50 190 230 270 ЗЮ 350 п (им''/

Рисунок 10 - Сходимость теоретической и жеперимСталиной зависимостей производигслыюст* от частоты вращения тискового рабочею opi ана при числе зубьев : ~ 24 (графики I и 2) н z т 9 (графики 3 и 4)

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность» представлена оценка экономической эффективности использования погрузчика-смесителя почвы для теплиц, оснащенного шнековым рабочим органом, по сравнению с погрузчиком непрерывного действия ПНД-250 с учетом необходимости доведения почвенной смеси до соответствия агротехническим требованиям.

Годовой экономический эффект за счет увеличения производительности труда составил 78.624 тыс. руб. в ценах на 01.09.2013.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа существующих погрузчиков-смесителей и технологических схем их использования разработана конструктивно-технологическая схема погрузчика-смесителя, теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснованы конструктивно-режимные параметры его рабочего органа, благодаря чему решена важная научная и практическая задача достижения повышения производительности труда при приготовлении почвенной смеси для теплиц и ее качественных показателей.

2. Предложена конструктивно-технологическая схема погрузчика-смесителя (патент на полезную модель № 119337) для приготовления почвенных смесей со шнековым рабочим органом (патент на полезную модель № 117906), оснащенным зубьями с режущими поверхностями специальной формы. Процессы погрузки и смешивания совмещаются, шнекофрезерный рабочий орган обеспечивает отделение частей компонентов от основного массива, их крошение и последующее перемешивание.

3. В результате теоретических исследований получены аналитические выражения и установлено влияние конструктивных и режимных параметров на показатели эффективности технологического процесса и производительность смешивания и погрузки. Для обеспечения требуемого качества смешивания шнековый рабочий орган должен быть оснащен зубьями криволинейной формы, установленными по ширине захвата без перекрытия, угол при вершине у = 110°, угол заточки а = 60°, радиус кривизны Я, составляет 0,2 радиуса рабочего органа.

4. Получены экспериментальные зависимости и описывающие их вероятностно-статистические модели производительности, качества смешивания и технологических параметров почвенной смеси от конструктивных и режимных параметров для компонентов с различными физико-механическими свойствами. Установлено, что зависимость производительности от частоты вращения рабочего органа и от количества зубьев носит нелинейный характер, описываемый уравнением регрессии второго порядка. Наибольшая производительность достигается при частоте вращения п = 294 мин"1 и числе зубьев 2 = 24, что соответствует их сплошной установке по ширине захвата без перекрытия. Экспериментально подтверждена наиболее эффективная для процесса смешивания форма зубьев в виде сектора цилиндрической поверхности.

5. При частоте вращения рабочего органа и количестве зубьев, обеспечивающих максимальную производительность и высокое качество смешивания, воздухоемкость и влагоемкость смеси также соответствуют требованиям, предъявляемым к почвенным смесям для теплиц. Коэффициент качества сме-

шивания составил 0,96-0,98; воздухоемкость - 25 %; влагоемкость - 40 %. Для шнекового рабочего органа диаметром 0,8 м погрузчика-смесителя почвы для теплиц рекомендуются следующие параметры: частота вращения п = 290...300 мин-1, количество зубьев z = 24. Они способствуют эффективному отделению компонентов без перекрытия зон резания.

6. Годовой экономический эффект при использовании погрузчика-смесителя при подготовке почвенной смеси для теплиц составляет 78,624 тыс. руб. в ценах на 01.09.2013, срок окупаемости дополнительных капиталовложений— 1,9 года.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Павлов, П.И. Результаты исследований погрузчика-смесителя почвы для теплиц [Текст] / П.И. Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Вестник Саратовского гос-агроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2013. - № 8. - С. 62-64.

2. Везиров, А.О. Экспериментальное исследование рабочих органов погрузчика-смесителя почвы для теплиц [Текст] / А.О. Везиров // Научное обозрение. — 2013. -№ 8. - С. 24-27.

3. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель почвы для теплиц [Текст] / П.И. Павлов, С.Л. Медведев, А.О. Везиров // Сельский механизатор. - 2013. - № 9. - С. 40.

Публикации в других изданиях

4. Левченко, Г.В. Физико-механические свойства насыпных фунтов, используемых в тепличном овощеводстве [Текст] / Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Матер. Межднар. науч.-прак. конф., посвящ. 70-летию со дня рожд. проф. В.Ф. Дубинина. — Саратов, 2010. - С. 111-113.

5. Левченко, Г.В. Классификация погрузчиков-смесителей [Текст] / Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Матер. Межднар. науч.-прак. конф., посвящ. 70-летию со дня рожд. проф. В.Ф. Дубинина. - Саратов, 2010. - С. 113-116.

6. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель для тепличного субстрата [Текст] / П.И. Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: матер. Всерос. науч.-практ. конф. молодых учёных. - Саратов, 2010. — Т. 2.-С. 91-92.

7. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель для тепличного субстрата [Текст] / П.И. Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Сб. работ VI Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций. - Саратов, 2011. - Ч. 1. - С. 165-166.

8. Левченко, Г.В. Физические свойства тепличных субстратов [Текст] / Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной

техники: матер. Междунар. науч.-техн. семинара им. В.В. Михайлова. - Саратов, 2012.-С. 147-149.

9. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель для тепличного овощеводства [Текст] / П.И. Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Новые технологии и технические средства в АПК: Междунар. конф., посвящ. 105-летию со дня рожд. проф. В.В. Красникова.-Саратов, 2013.-С. 141-143.

10. Пат. № 117906 Российская Федерация, МПК В 65 в 67/24, В 65 в 65/22. Рабочий орган погрузчика-смесителя / Павлов П.И., Левченко Г.В., Везиров А.О., Дзюбан И.Л.; заявитель и патентообладатель Саратовский ГАУ. - № 2012108283/11; заявл. 05.03.2012; опубл. 10.07.2012, Бюл. ЛЬ 19.

11. Пат. № 119337 Российская Федерация, МПК В 65 й 65/22, А 01 С 3/04. Погрузчик-смеситель органоминерального компоста / Везиров А.О., Дзюбан И.Л., Павлов П.И.; заявитель и патентообладатель Саратовский ГАУ. - № 2012114293/11; заявл. 11.04.2012; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.

Подписано в печать 25.11.13 Формат 60><84 1/16

_Печ. л. 1,0_Тираж 100_Заказ 286/273_

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» 410012, Саратов, Театральная пл., 1

04201455072

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

На правах рукописи

Везиров Александр Олегович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ СМЕСЕЙ ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ

КА-СМЕСИТЕЛЯ

Специальность: 05.20.01-Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013 г.

РЕФЕРАТ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем - 131 страница машинописного текста, который включает в себя основной текст и 7 приложений. Основной текст изложен на 116 страницах, содержит 6 таблиц и 43 рисунка. Список использованной литературы включает 131 наименований.

Ключевые слова: ПОЧВЕННАЯ СМЕСЬ, ПОГРУЗЧИКИ, ШНЕКОВЫЙ РАБОЧИЙ ОРГАН, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, КАЧЕСТВО СМЕШИВАНИЯ, ВЛАГОЕМКОСТЬ, ВОЗДУХОЕМКОСТЬ,

СМЕШИВАНИЕ, ПОГРУЗКА.

В работе дан анализ средств механизации используемых для приготовления почвенных смесей и их классификация. Выявлены их основные недостатки и предложена новая технология приготовления почвенной смеси.

На основе анализа существующих конструкций погрузчиков непрерывного действия и стационарных смесителей, предложена конструктивно-технологическая схема мобильного погрузчика-смесителя.

Проведены теоретические исследования процесса взаимодействия рабочего органа с компонентами почвенной смеси и получены аналитические выражения по определению производительности, а так же конструктивно-режимных параметров.

По итогам экспериментальных исследований получены зависимости и описывающие их вероятностно-статистические модели производительности, качества смешивания, технологических параметров почвенной смеси от конструктивных и режимных параметров рабочего органа погрузчика-смесителя.

Проведены производственные испытания погрузчика-смесителя и дана технико-экономическая оценка эффективности его использования.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................9

1.1. Анализ технологий и состояние механизации производственных процессов в тепличном сельскохозяйственном производстве.................9

1.2. Анализ технологического процесса подготовки почвенных смесей для выращивания сельскохозяйственных культур в условиях теплиц......13

1.3. Средства механизации для приготовления почвенных смесей в тепличном производстве......................................................................23

1.4. Классификация технических средств для приготовления почвенных смесей................................................................................32

1.5. Существующая технологическая схема приготовления почвенных смесей с использованием погрузчиков непрерывного действия............34

1.6. Анализ существующих исследований процесса смешивания............36

1.7. Цели и задачи исследований....................................................41

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ И ПОГРУЗКИ ПОЧВЕННОЙ СМЕСИ ПОГРУЗЧИКОМ-СМЕСИТЕЛЕМ............................................42

2.1. Предлагаемая технология приготовления почвенной смеси.............42

2.2. Предлагаемая конструктивно-технологическая схема погрузчика-смесителя...........................................................................44

2.3. Конструктивные и режимные параметры шнекового рабочего органа, оснащенного зубьями............................................................46

2.4. Кинематические параметры органа погрузчика - смесителя.............49

2.5. Производительность погрузчика-смесителя.................................50

2.6. Теоретическое исследование влияния конструктивных и режимных параметров на технологические показатели работы погрузчика-смесителя.................................................................................................57

2.7. Выводы по главе...................................................................63

3

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................65

3.1. Методика исследования физико-механических и технологических свойств почвенных смесей и их компонентов..............................65

3.2. Описание экспериментальной установки....................................68

3.3. Программа и методика экспериментальных исследований...............70

3.4. Последовательность проведения опытов.....................................74

3.5. Выводы по главе...................................................................77

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................78

4.1.Результаты исследований физико-механических свойств компонентов, используемых для приготовления почвенной смеси......................80

4.2. Результаты экспериментальных исследований..............................82

4.2.1.Влияние частоты вращения рабочего органа и количества зубьев на производительность погрузчика-смесителя.................................82

4.2.2. Зависимость качества смешивания почвенной смеси от частоты вращения рабочего органа и количества зубьев.................................88

4.2.3. Влияние частоты вращения рабочего органа и количества зубьев на влагоемкость и воздухоемкость почвенной смеси.........................91

4.2.4. Влияние формы зубьев на производительность, коэффициент степени смешивания, влагоемкость и воздухоемкость почвенной смеси....93

4.3. Выводы по главе...................................................................97

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ...........99

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ....................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................106

ВВЕДЕНИЕ

Производство овощей в теплицах является эффективным способом снабжения населения свежей продукцией в течение всего года независимо от погодных условий. Помимо овощей в теплицах выращивают цветы, рассаду и другие виды продукции растениеводства. Тепличное хозяйство за год может дать 3-6 урожаев в зависимости от культур. Каждый год в эксплуатацию вводятся новые тепличные комплексы, занимающие большие площади. В настоящее время площадь закрытого грунта в России составляет порядка 2,9 тыс. га. Всего в закрытом грунте выращивается 12% огурцов и томатов, производимых в России, остальные 88% выращиваются в открытом грунте. По различным оценкам экспертов доля потребляемых овощей закрытого грунта в общем объеме потребления составляет до 17%. Россия к 2020 году планирует в 3,5 раза увеличить производство овощей закрытого грунта и довести их потребление до 12 кг на человека в год против сегодняшних 3,5 кг. [3]

Существует несколько способов ведения тепличного земледелия. Одним из распространенных способов является земледелие на закрытом грунте. При таком способе получается продукция с высокими вкусовыми качествами и хорошо реализуется потребителям. Однако выращивание продукции на закрытом грунте требует и большого объема работ с почвой. Подготовка почвы является очень важной операцией в технологическом процессе тепличного производства. От нее во многом зависит будущая урожайность выращиваемых культур. Почва для теплиц представляет собой смесь нескольких компонентов: торфа, навоза, обычной земли, песка, опилок, минеральных удобрений и др. Эти компоненты должны быть хорошо перемешаны и распределены по площади теплицы.

В настоящее время специальных машин для работы с почвой в теплицах серийно практически не выпускается. Для использования приспосабливаются машины другого назначения, например, выгрузчик МВС-4, погрузчик ПНД-250. Однако эти машины не обеспечивают необходимого качества смешива-

ния, и поэтому доводить почву до требуемого состояния необходимо с использованием ручного труда. Это приводит к росту затрат на приготовление почвенной смеси и на производство продукции в целом. Разработка и обоснование параметров погрузчика-смесителя для приготовления почвенной смеси в теплицах позволяет полностью механизировать данный процесс, повысить производительность и снизить себестоимость готовой продукции.

Работа выполнена в соответствии с приоритетным научным направлением ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» (регистрационный номер 01201151795) создание высокопроизводительных грузоподъёмных машин и другого навесного оборудования.

Цель исследований: повышение производительности и качества приготовления почвенных смесей для теплиц путем обоснования конструктивно-режимных параметров погрузчика-смесителя.

Объект исследования - технологический процесс смешивания компонентов и погрузки почвенной смеси для теплиц.

Предмет исследования - закономерности изменения производительности, качества смешивания компонентов почвенной смеси, ее воздухоемкости и влагоемкости от конструктивных и режимных параметров рабочего органа погрузчика-смесителя.

Научная новизна работы заключается в обосновании конструктивно-технологической схемы погрузчика-смесителя, его рабочего органа и исследовании технологического процесса смешивания и погрузки почвенной смеси; получении аналитических и экспериментальных зависимостей производительности и качества смешивания; теоретическом и экспериментальном обосновании оптимальных режимных и конструктивных параметров предлагаемого погрузчика-смесителя.

Теоретические исследования выполнялись на основе законов классической механики и математического анализа. Экспериментальные исследова-

ния проведены с применением многофакторного планирования, при этом использовались существующие ГОСТы и разрабатывались частные методики.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы погрузчика-смесителя со шнекофрезерным рабочим органом;

- аналитические и регрессионные выражения описывающие влияние основных конструктивных и режимных параметров на производительность и качество смешивания;

- результаты теоретической и экспериментальной оптимизации конструктивных и режимных параметров.

Практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивных и режимных параметров, результаты которого приняты за основу при создании опытного образца погрузчика-смесителя со шнекофрезерным рабочим органом. Предлагаемый погрузчик-смеситель применялся при приготовлении почвенных смесей в ОАО «Совхоз-Весна» Саратовского района Саратовской области. Полученные результаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями при определении параметров погрузчика-смесителя для различных условий на стадии проектирования.

Апробация. Основные положения работы доложены на конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам научно - исследовательской работы за 2008-2012 гг. Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И.Вавилова; на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию профессора В.Ф. Дубинина (Саратов, СГАУ, 2010); на Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2010); на Международном научно-техническом семинаре им. В.В. Михайлова «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (Саратов, СГАУ, 2012); на Международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения профессора Красникова В.В. «Новые техно-

7

логии и технические средства в АПК» (Саратов, СГАУ, 2013). Проект «Погрузчик-смеситель тепличного субстрата» был представлен на 6 Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций и награжден бронзовой медалью и дипломом третьей степени.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ на полезную модель № 117906 и № 119337; объем публикаций составил 1,7 п.л., из которых 0,9 п.л. принадлежат лично соискателю.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ технологий и состояния механизации производственных процессов в тепличном сельскохозяйственном производстве.

Тепличное производство является одним из важнейших направлений в современном сельском хозяйстве. Главное преимущество заключается в возможности круглогодичного производства овощей, цветов, рассады и другой продукции, пользующейся большим и постоянным спросом у населения. С другой стороны, продукция тепличного производства имеет более высокую стоимость, сто связано с его технологическими особенностями. Теплицы необходимо зимой обогревать, летом необходима вентиляция, необходим постоянный полив и т.д. Кроме того, сами теплицы являются дорогостоящим сооружением. Однако основные затраты в процессе производства связаны с низким уровнем механизации труда. Большинство операций выполняются с использованием большой доли ручного труда. Ряд операций, например, сбор урожая, полностью выполняются вручную. К другим трудоемким операциям относятся подготовка и укладка почвенных смесей, удаление, погрузка и транспортировка отработанной почвы и другие.

Существуют две основные технологические схемы производства сельскохозяйственной продукции в теплицах - на грунте (почвенных смесях) и на жидкостях («гидропоника»). Гидропоника — выращивание растений без почвы, на искусственных средах (субстратах). При этом корневая система развивается на твердых субстратах, которые сами по себе не содержат питательных веществ. Питание растения получают из питательного раствора, который дозированно подается к каждому кусту. В качестве субстрата используют минеральную вату, щебень, перлит, керамзит и пр.

Наиболее известен и широко применялся во многих странах способ выращивания растений на инертных минеральных субстратах (щебень, песок, керамзит и т. д.) с периодической подачей питательного раствора способом подтоп-

ления (субирригационная гидропонная культура). При этом растения выращиваются в герметичных лотках, стеллажах или поддонах, а раствор специальным насосом подается в группу стеллажей, а затем сливается снова в приемный бак. Общий объем субстрата примерно такой же, как и при грунтовой культуре. Сложность герметизации стеллажей и поддонов, необходимость устройства специальных баков большой емкости (40 - 50 куб. м на теплицу площадью 1000 м) и дезинфекции субстрата не позволили этому методу найти широкое распространение.

Значительно шире используется способ малообъемной гидропонной культуры. Сущность его заключается в том, что растения выращиваются в малом объеме (5 - 15 л) субстрата из минеральной ваты, верхового торфа или прессованных торфоплит с периодической подачей питательного раствора к каждому растению при помощи капельной системы [10].

Главные преимущества и недостатки выращивания томатов в защищенном грунте следующие.

При выращивании томатов в теплицах возникает большой риск поражения томатов болезнями и вредителями, т.к. для них складывается благоприятный микроклимат, и отсутствуют естественные враги по причине изоляции. Другим недостатком являются высокие капиталовложения в теплицы (например, стоимость только одного современного прозрачного покрытия теплицы - поликарбоната - около

300 руб./м ) и высокие затраты на выращивание (отопление, уход, уборка и др. затраты). Все это приводит к высокой себестоимости продукции.

Соответственно, может показаться, что выращивать томаты в теплицах не выгодно, если на это тратятся большие средства. Но на самом деле есть также и преимущества. С болезнями и вредителями можно эффективно бороться биологическим методом. Эффективность биологических препаратов в открытом грунте ограничена погодными условиями. В теплицах объем ограничен, для биологических препаратов складывается благоприятный микроклимат, поэтому

их эффективность повышается. Возможен контроль температурного режима,

10

исключается опасность заморозков, которые томат не переносит. Контроль пищевого, газового и водного режимов, что позволяет регулировать качество продукции. Полный контроль над режимами выращивания позволяет получить высокую урожайность (в зависимости от способа и продолжительности выращивания составляет от 20 до 35 кг/га, а при малообъемной технологии - даже до 50 кг/га) [И].

С одной стороны «гидропоника» является быстро развивающейся технологией в тепличных производствах. Данная технология позволяет получать большие урожаи и в значительной степени автоматизировать процессы производства. Однако, налаживание данной технологии требует больших капительных затрат, которые значительно превосходят затраты, необходимые для организации традиционной технологии тепличного производства - на грунте. Вкусовые качества продукции так же на стороне грунтового способа производства. Кроме того, на ряде направлений тепличного производства - производство цветов, рассады, саженцев �