автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и внедрение семейства погрузочно-разгрузочных машин непрерывного действия сельскохозяйственного назначения

НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ имени В. П. ГОРЯЧКИНА - АО "ВИСХОМ"

РГБ ОД

1 5 ДЕК 1938

На правах рукописи

ФИРСОВ Максим Максимович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СЕМЕЙСТВА ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальности 05.20.01 - Механизация сельскохозяйствен^ о

производства

05.20.04 - Сельскохозяйственные и мелиоративные

машины

Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада

Москва - 1996

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения имени В.П. Горячкина - АО "ВИСХОМ':

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.Н. Зюлин, доктор технических наук, . профессор Н.И. Верещагин, доктор технических наук Ю.И. Вахрамеев

Ведущая организация — Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИПТИМЭСХ).

Защита состоится 10 декабря 1996 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.020.02.01 при Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ВИМ) по адресу: 109428, 1-й Институтский проезд, д. 5.

Отзывы и замечания в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, ВИМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИМа. Диссертация разослана ноября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационнрго совета,

кандидат технических наук ^/^^¿ ■'¿С^ Мамедова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В отраслях сельскохозяйственного производства при возделывании и уборке зерновых и плодоовощных культур важное значение имеют погрузочно-разгрузочные машины. По средним оценкам, общий грузооборот в сельском хозяйстве ежегодно превышает 5 млрд. т., что составляет примерно 30 % объема всех сельскохозяйственных работ. На транспортные и погрузочно-разгрузочные работы приходится до 45 % от общих затрат на единицу производимой продукции, а стоимость этих работ составляет от 15 до 30 % от общих затрат на производство сельхозпродуктов. Поэтому создание и внедрение более современной и производительной погру-зочно-разгрузочной техники позволит значительно повысить эффективность всего сельскохозяйственного производства.

Наибольшее распространение в сельском хозяйстве получили по-грузочно-разгрузочные машины непрерывного действия для загрузки семян, минеральных удобрений и других сыпучих материалов в сеялки, машины для внесения удобрений, самолеты, вертолеты и др. Их применяют на токах и на складах, на полях и фермах и ,т. д. Часть загрузчиков, установленных на шасси автомобилей и тракторных прицепах, используется и как транспортные средства.

Погрузочно-разгрузочные машины до недавнего времени проектировались на основе эмпирических данных и аналогов из других отраслей народного хозяйства, поэтому преобладали разнотипные машины малой производительности и недостаточной универсальности. Применяемые в хозяйствах погрузочно-разгрузочные средства позволили в определенной степени механизировать основные погрузочные операции. В то же время такие процессы, как загрузка сеялок, сажалок, машин для внесения минеральных удобрений, летательных аппаратов, механизированы недостаточно и многие процессы выполняются вручную. Отсутствие комплексной механизации приводит к значительным простоям транспортных средств и сельскохозяйственных машин под загрузкой иразгрузкой.

Эффективность применения минеральных удобрений значительно повышается при внесении их в смешанном виде. Однако задача создания высокопроизводительных тукосмесителей до сих пор не решена и остается весьма актуальной.

Создание и внедрение в сельскохозяйственное производство технических средств для комплексной механизации погрузочно-разгрузочных работ является актуальной и важной народнохозяйственной задачей.

В работе обобщены результаты исследований и разработок, выполненных в 70 - 90-х гг. в отделе погрузочно-транспортных машин и

устройств ВИСХОМа по заданиям общесоюзных и отраслевых программ.

Цель работы - изыскание новых технологий, рабочих органов и технических средств для загрузки семенами и минеральными удобрениями сеялок, посадочных машин, удобрителей и летательных аппаратов, а также создание машин для внутрискладских работ.

Объекты исследования - погрузочно-разгрузочные операции, процессы взаимодействия рабочих органов с сыпучими грузами, процессы смешивания нескольких компонентов минеральных удобрений, параметры и режимы работы машин и рабочих органов, макетные, опытные и производственные образцы машин и их механико-математические модели.

Методика исследований. Разработка технологических процессов, методов расчета и проектирования основывалась на решении математических моделей функционирования машин с учетом физико-механических свойств грузов и условий работы. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. При анализе математических моделей и обработке экспериментальных данных на ЭВМ применялись методы математической статистики и теории вероятностей, методы оптимизации параметров и регрессионного анализа.

Научную новизну работы составляют:

математические модели, описывающие:

процесс дозированной подачи сыпучего материала донным транспортером из кузова загрузчика под действием объемных (гравитационных) и граничных сил;

закономерности перемещения сыпучего материала сплошным и лопастным шнеками, скребковым и пневматическими транспортерами;

кинетику процесса смешивания нескольких компонентов сыпучих материалов;

оптимальные условия тукосмешивания по качественному (однородности смеси) и количественному (потребной на процесс мощности) параметрам.

Новизна обоснованных в ходе исследования рабочих органов загрузчиков защищена авторскими свидетельствами.

Достоверность основных положений выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами лабора-торно-полевых, ведомственных и государственных испытаний созданных машин и оборудования. Адекватность результатов теоретических и экспериментальных исследований достигает 5 % уровня значимости.

Практическую ценность работы составляют: параметры рабочих органов семейства унифицированных мобильных загрузчиков

средней (3-4 т) и большой (6-8 т) грузоподъемности, взаимоувязанных по производительности с полевыми технологическими машинами; инженерные методы расчета параметров погрузочно-разгрузочных машин и их рабочих органов; методы планирования многофакторных экспериментов применительно к погрузочным машинам; достигнутый высокий уровень механизации погрузочно-разгрузочных работ с сыпучими грузами в полеводстве, на складах и в хранилищах.

Реализация результатов исследований. По результатам научных исследований совместно с НИКТИМсельхозмаш, ВИУА, ВИМ, ЦНИИМЭСХ, НИПТИМЭСХ Нечерноземной зоны Российской Федерации, КубНИИТИМ:

сконструирована, испытана и поставлена на производство базовая модель унифицированного семейства загрузчиков ЗАУ-З (выпущено 25 тыс. шт.);

разработаны, испытаны и поставлены на производство модификации семейства:

грузоподъемностью 3-4 т на базе автомобиля ГАЭ-53А: загрузчик-смеситель минеральных удобрений; загрузчик самолетов и вертолетов минеральными удобрениями ЗСВУ-З; загрузчик вертолетов АЗВ-0,8; загрузчик-смеситель на базе тракторного прицепа СЗУ-20; загрузчик без донного ленточного транспортера ЗС-4; загрузочные быстросъемные устройства БЗУ-5 и БЗУ-6;

грузоподъемностью 6-8 т на базе автомобилей ЭИЛ-133ГЯ и КамАЗ-5510: загрузчик сеялок ЗСА-7; загрузчик минеральных удобрений ЗМУ-8;

рекомендованы в производство - загрузчик картофелесажалок ЗАК-З и загрузчик самолетов ЗАУ-ЗЛ;

для механизации работ на складах и в хранилищах зерна разработано семейство пневмотранспортеров ТПЗ-5, ТПЗ-10 и ТПЗ-20 (ТПЗ-10 рекомендован к выпуску опытной партией); разработаны и поставлены на производство ленточный транспортер ПКС-80 (выпущено 30 тыс. шт.) и растариватели-измельчители минеральных удобрений АИР-20 и АИР-20А, тукосмесительные установки УТС-30 и УТМ-30.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на всесоюзных научно-технических конференциях: ВИСХОМ (1972 г.), ЦНИИМЭСХ (1973 г.), СХИ (г. Ставрополь, 1972 г.); на Международном симпозиуме (Белград, 1978); на научно-технической конференции молодых ученых (ВИСХОМ, 1979 г.), КТИСХМ (1982 г.), на НТС АО "ВИСХОМ" (1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, в том числе монография и 6 авторских свидетельств на изобретения. Общий объем публикаций составил 28 п. л., в том числе лично автора 20 п. л.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сельскохозяйственное производство рассредоточено на больших площадях, поэтому для своевременного выполнения всего технологического цикла требуется перемещение значительного количества разнообразных грузов: зерна, удобрений, кормов, горючего и др. Повышение эффективности всего сельскохозяйственного производства в значительной степени зависит от уровня механизации погрузочно-разгрузочных работ, которые являются связующим звеном технологического потока между отдельными сельскохозяйственными операциями.

При этом следует учитывать, что большая часть сельскохозяйственных грузов погружается и транспортируется неоднократно. Так, кратность перевозок зерна равна 2,5, картофеля - 1,7, овощей -1,5, минеральных удобрений 1,8 и т. д.

Объем перегружаемых грузов на 1 га пашни в ФРГ составляет 50-60 т, в РФ - 25-40 т. При этом наибольшие затраты приходятся не на транспортировку, а на погрузку, разгрузку и перевозку грузов: при производстве сельскохозяйственных культур они составляют 25-30 % всех трудовых затрат, в овощеводческих хозяйствах около 40 %.

Сельскохозяйственное производство обладает рядом особенностей, влияющих на выбор конструкций и параметров технических средств для погрузочно-разгрузочных работ: широкая номенклатура сельскохозяйственных грузов, значительная часть которых перемещается насыпью или навалом; разнообразные дорожно-полевые условия, в которых используются машины; сезонный характер использования погрузочно-разгрузочных машин, ограниченный агротехническими сроками (посев, уход, уборка, и т. п.) и др.

Особенности сельскохозяйственного производства обусловливают необходимость применения большой номенклатуры погрузочно-разгрузочных машин: универсальных и специализированных, стационарных и передвижных, для работы на складах и токах, на полях и в хранилищах, для обслуживания технологических потоков и отдельных операций и т. д. Наиболее многочисленную группу составляют мобильные погрузочно-разгрузочные машины непрерывного действия, которые в отличие от машин прерывного, периодического действия (фронтальные, грейферные, ковшовые и другие погрузчики) перемещают груз беспрерывно, без остановок для заполнения или разгрузки исполнительных механизмов. К машинам непрерывного действия относятся мобильные погрузчики семян, корнеклубнеплодов, кормов,

загрузчики-смесители удобрений, различного вида транспортеры: механические (шнековые, ленточные, скребковые) и пневматические.

Наиболее широкая номенклатура погрузочных средств применяется при погрузке насыпных (сыпучих) материалов: зерна, минеральных удобрений, корнеклубнеплодов, комбикормов и др.

Основы теории погрузочных устройств сыпучих материалов освещены в трудах Е.М. Гутьяра, P.JI. Зенкова, В.В. Красникова, А.О. Спиваковского, С.И. Назарова, Н.М. Марченко, М.Н. Фатеева, A.M. Борисова, A.A. Омельченко, Ю.Н. Липова, Ю.И. Вахромеева, А.Н. Зюлина, С.К. Andrews, L.A. Myers, J.R. O'Callaghon и др. Однако несмотря на значительный опыт создания погрузочных машин и транспортеров в таких отраслях, как мукомольная, горнообогатительная, общее машиностроение и др., для сельскохозяйственного производства разработка погрузочно-разгрузочных машин основывалась на эмпирических данных и на аналогах из других отраслей, что не всегда соответствовало условиям их использования: зачастую параметры машин обосновывались без должного учета особенностей их работы с различными сельскохозяйственными грузами, отсутствовал комплексный подход к решению проблем, связанных с погрузочно-разгрузочными работами в полевых условиях, на токах, складах, в хранилищах и т. п. Уровень унификации большинства специальных погрузочных машин, используемых в хозяйствах, был крайне низок.

Одна из нерешенных проблем механизации погрузочно-разгрузочных работ - отсутствие эффективного загрузчика-смесителя, совмещающего операции загрузки и смешивания нескольких компонентов удобрений. Ввиду сложности процесса смешивания сыпучих материалов не было разработано ни теории, ни расчетных зависимостей для определения параметров и режимов работы смесителей.

В 80-е гг. погрузочно-транспортные работы были механизированы в меньшей степени, чем сельскохозяйственные работы, так как уже применялись широкозахватные зерновые сеялки и машины для внесения удобрений с большой вместимостью бункеров для семян и удобрений. В связи с этим необходимо было создать большегрузные погрузочно-разгрузочные машины.

В результате анализа проблем механизации погрузочно-разгрузочных работ в растениеводстве были сформулированы следующие задачи исследования:

1) обоснование состава унифицированного семейства машин для комплексной механизации погрузочно-разгрузочных работ в растениеводстве;

2) технико-экономическое обоснование основных параметров и принципиальных схем унифицированного семейства погрузочно-разгрузочных машин;

3) теоретические основы расчета и проектирования составных элементов и рабочих органов погрузочно-разгрузочных машин;

4) механико-технологические основы расчета параметров и режимов работы погрузчика-смесителя;

5) создание средств механизации для внутрискладских работ с минеральными удобрениями и зерном.

2.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

СЕМЕЙСТВА УНИВЕРСАЛЬНЫХ И ВЫСОКОУНИФИЦИРОВАННЫХ МАШИН ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ РАБОТ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

2.1. Выбор направления исследований

Главной проблемой современного развития сельского хозяйства является максимальная интенсификация всех производственных процессов, в том числе сокращение сроков посева, посадки и уборки сельхозкультур, своевременное внесение в почву удобрений и химических средств защиты растений. Проведение всех этих работ в сжатые агротехнические сроки позволяет получить высокие и устойчивые урожаи. Сроки работ могут быть сокращены также путем повышения производительности сеялочных и посадочных агрегатов, машин для внесения удобрений, что достигается в результате как увеличения вместимости бункеров машин, так и сокращения времени простоев их под загрузкой.

В 80-е гг. в нашей стране наметилась тенденция к увеличению вместимости бункеров технологических машин: посевных до 2,5 т, для внесения удобрений до 7-10 т, картофелесажалок до 2,5-5 т. Однако выпускавшиеся погрузочные машины не обеспечивали эффективную заправку машин на перечисленных операциях.

С учетом выявленных тенденций было выбрано направление исследований по созданию семейства универсальных и высокоунифици-рованных загрузчиков семян и удобрений на базе наиболее массовой машины - загрузчика сеялок, чтобы обеспечить максимальную унификацию всего семейства машин. Работы в этом направлении позволили механизировать процессы загрузки семян, удобрений и других сельскохозяйственных материалов при использовании минимального количества видов машин.

2.2. Обоснование состава машин унифицированного семейства загрузчиков

При определении состава машин унифицированного семейства загрузчиков ориентировались на механизацию погрузки и разгрузки таких сыпучих грузов, как зерно, корнеклубнеплоды, минеральные удобрения, а также учитывали поставку сельскому хозяйству автомобилей грузоподъемностью 3 и 5 т транспортно-технологического назначения, которые составили энергетическую базу семейства загрузчиков.

На основании проведенного анализа отечественного и зарубежного опыта, а также выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ выявлена необходимость создания семейства унифицированных загрузчиков в составе одной базовой машины и четырех модификаций. В качестве базовой модели использовался загрузчик сеялок зерном и удобрениями, а основными модификациями семейства являлись: смеситель-загрузчик минеральных удобрений в сеялки и машины для внесения удобрений; загрузчик самолетов и вертолетов минеральными удобрениями; загрузчик сажалок семенами корнеклубнеплодов; загрузчик корней маточной свеклы вы-садкопосадочных машин.

Выбор базовой модели обусловлен максимальной потребностью сельскохозяйственного производства в загрузчиках зерна. Внесение удобрений, посев зерновых и посадка корнеклубнеплодов производятся в различные агротехнические сроки, поэтому все загрузочные операции можно обеспечить количеством машин, равным парку загрузчиков зерна. Так, количество загрузчиков удобрений и смесителей-загрузчиков должно составлять 35-40 % от всего парка загрузчиков. Приспособлениями для загрузки удобрений в самолеты и вертолеты, семян корнеклубнеплодов в сажалки должны комплектоваться 20-25 % загрузчиков зерна. Применение универсальных рабочих органов, одинаково хорошо работающих при загрузке всех материалов и гарантирующих необходимую их сохранность, позволяет обеспечить высокий уровень унификации всего семейства загрузчиков.

2.3. Выбор типа и принципиальной схемы загрузчиков унифицированного семейства

Технологические процессы, выполняемые всеми загрузчиками, несмотря на различные свойства загружаемых материалов, состоят из одних и тех же операций: погрузка материала в кузов; переезд от места

хранения груза к посевному или посадочному агрегату либо летательному аппарату; выгрузка материала из загрузчика в емкости или баки технологических машин; отъезд от агрегатов и переезд за новой порцией материала.

Загрузка зерна и минеральных удобрений в посевные агрегаты. Анализ нескольких способов загрузки материала позволил установить, что наиболее рационально применять загрузчик с бункером, разделенным перегородкой на две части для зерна и удобрений, с двумя транспортерами в нижней части, с поперечным горизонтальным транспортером и поворотным наклонным выгрузным транспортером-элеватором. При таком способе обеспечивается одновременная загрузка зерна и минеральных удобрений с минимальными затратами времени при минимальном наборе типов рабочих органов. В результате поворота выгрузного транспортера дополнительно сокращается время заправки сеялочных широкозахватных агрегатов, так как уменьшается количество переездов и остановок загрузчика.

Загрузка машин для внесения минеральных удобрений. Наиболее рационально при загрузке устанавливать самосвальный кузов с предварительным подъемом и опрокидыванием, обеспечивающим максимальную производительность.

При загрузке сажалок и высадкопосадочных машин применяется также самосвальный поднимающийся и опрокидывающийся кузов. Машины для перевозки, перегрузки и выгрузки различных сельскохозяйственных грузов выполняются с самосвальными кузовами или как универсальные бункера-перегрузчики с задним или боковым опрокидыванием кузова.

Таким образом, основными узлами унифицированного семейства загрузчиков являются:

донный подающий транспортер, состоящий из одной или двух бесконечных резинотканевых лент;

кузов со съемными перегородками. В передней стенке кузова имеются выгрузные окна, через которые материал поступает на поперечный транспортер;

поперечный шнековый транспортер, подающий вынесенный донным транспортером материал на наклонный выгрузной транспортер;

наклонный выгрузной транспортер, подающий материал в загружаемые агрегаты, конструктивно выполняемые в виде спирального шнека или ленточного транспортера со скребками;

механизм подъема кузова, состоящий из рамы, устанавливаемой на шасси автомобиля, на которой шарнирно закреплен рычажный механизм подъема параллелограммного типа.

2.4. Определение основных параметров загрузчиков

Загрузчики семян и минеральных удобрений в отличие от других погрузочных средств являются одновременно погрузочными и транспортными машинами и составляющими звеньями соответствующего технологического комплекса, обеспечивающего поточную работу. При этом соотношение погрузочных и транспортных функций этих машин не является постоянным, а изменяется в зависимости от условий работы и выполняемого технологического процесса. Основными машинами в таких потоках являются не загрузчики, а посевные и посадочные машины, которые и определяют ритм потока. Предназначение загрузочных средств - обеспечение бесперебойной работы основных технологических машин. Поэтому параметры загрузчиков зависят от типа и количества одновременно обслуживаемых машин. Одним из основных параметров загрузчиков является их грузоподъемность. Для определения грузоподъемности загрузчиков рассмотрим их совместную работу с технологическими машинами.

Грузоподъемность загрузчика определяется из выражения:

Ог=()11о6ш, т, (2.1)

где (), - производительность загрузчика, т/ч;

/общ - время полного цикла работы загрузчика, ч.

Время полного цикла работы загрузчика включает время: погрузки материала в загрузчик на складе или у места хранения; переезда от склада в поле к технологическим агрегатам; подъезда к полевым агрегатам и их загрузки; переезд загрузчика с поля на склад для перезаправки материалом.

Производительность технологических машин равна

(?с= бм <?, т/ч, (2.2)

где - производительность технологических машин, га/ч; д - норма высева (внесения) материала, т/га.

С другой стороны, производительность можно выразить через параметры бункеров для семенного материала и удобрений технологических машин:

бс=Ссл/?с,т/ч, (2.3)

где вс - вместимость бункеров одного посевного или посадочного агрегата, баков летательных аппаратов или кузовов машин для внесения минеральных удобрений, т; п - количество технологических машин, (сеялок, сажалок и др.), работающих в одном агрегате, или количество баков у летательных аппаратов; и - время полного цикла работы технологических машин на одной заправке материалом, ч.

Принимая во внимание, что загрузчик должен обеспечивать работу технологических машин без простоя в ожидании заправки, можно приравнять производительности £2з=2с. Подставляя значения ()з и {2с из уравнений (2.1) и (2.3), получим:

в^СсП /общ)//с , т. (2.4)

Из уравнения (2.4) следует, что минимальная грузоподъемность загрузчика может быть получена при условии г0бШ=/с, т.е. если время полных циклов загрузчика и технологических машин будет одинаковым. Тогда Сг=Сс«, т.е. минимальная грузоподъемность загрузчика будет равна суммарной вместимости (в тоннах) семенных бункеров посевных или посадочных машин или грузоподъемности машин для внесения удобрений или летательных аппаратов.

Отсюда следует, что общим и наиболее существенным фактором, определяющим грузоподъемность загрузчиков всех типов, является соотношение циклов работы загрузчика и технологических машин. Так, при г0бщ>/с нарушается технологический процесс, что отрицательно сказывается на бесперебойной работе технологических машин.

Как показывает практика, при работе технологических машин в комплексе с загрузчиками все же имеют место простои. Для обеспечения максимальной производительности и работы без простоев полевых машин вынужденные простои комплекса необходимо отнести к загрузчику, т.е. роль компенсатора потока должен выполнять только загрузчик, а не все машины комплекса. В этом случае к времени полного цикла работы загрузчика !общ следует прибавить время его ПрОСТОЯ I;] в ожидании загрузки полевых машин. Тогда общий цикл работы загрузчика будет равен:

I о6щ-"/обШ~^11 . (2.5)

При этом максимальное значение !п не должно превышать значение и, т.е. /п<гс.

При /с<'общ общий цикл работы загрузчика превышает время полного цикла работы полевых машин. При кратном превышении /06Ш над и для обеспечения непрерывной работы без вынужденных просто-

ев полевых машин в ожидании загрузки потребуется М-с количество одинаковых загрузчиков, равное кратности соотношения циклов.

Ориентировочно грузоподъемность загрузчика можно определить по номограмме рис. 2.1. Расчеты показали, что при загрузке посевных агрегатов, состоящих из 3 зерновых сеялок, 2-4-рядных картофелесажалок, самолетов и вертолетов, корней в высадкопосадочные машины производительностью 2-2,5 т/ч грузоподъемность загрузчика должна быть 3-3,5 т при пропускной способности (производительности) рабочих органов 40-50 т/ч (на зерне). При загрузке широкозахватных посевных агрегатов, состоящих из 5 сеялок, и высокопроизводительных машин для внесения удобрений грузоподъемность загрузчика должна быть 6-8 т при пропускной способности рабочих органов до 70 т/ч. В качестве энергетической базы для первого загрузчика может быть использован автомобиль типа ГАЗ-5ЭА и его модификации, а для второго загрузчика - автомобиль ЗИЛ-133ГЯ.

а я Ч и> к &

Рис. 2.1. Номограмма для определения грузоподъемности загрузчиков

го и и 5,! я

Следует иметь в виду, что грузоподъемность загрузчиков зависит от их количества, необходимого для обеспечения неразрывности потока при работе посевных и посадочных агрегатов. При этом следует учитывать то обстоятельство, что стоимость работы загрузчиков во многом определяется стоимостью базовой энергетической машины, с которой они агрегатируются, стоимость которой не всегда пропорциональна изменению грузоподъемности загрузчиков.

Следовательно, при определении реальной грузоподъемности загрузчиков семян и минеральных удобрений для тех случаев, когда время нахождения загрузчика в пути и под загрузкой значительно (более чем в 2 раза) превышает время одного цикла работы технологических агрегатов, необходимо учитывать технико-экономические показатели машин всего потока.

3. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ РАЗГРУЗКИ И ПАРАМЕТРОВ КУЗОВОВ ЗАГРУЗЧИКОВ

3.1. Способы разгрузки и действующие силы

Сыпучий материал из кузова загрузчика может разгружаться одним из следующих способов:

самотеком, под действием только объемных (гравитационных) сил, например из самосвальных кузовов;

принудительным способом, под действием граничных сил, например из кузовов с подвижным дном в виде ленточного или скребкового транспортера;

при совместном действии объемных и граничных сил (в случае наклона кузова с включенным ленточным транспортером).

В общем случае силы; действующие на сыпучий материал в наклонном кузове, показаны на рис. 3.1

При наклонном положении кузова условие равновесия движущегося сыпучего материала сводится к тому, что силы трения о дно и стенки кузова направлены в сторону, обратную движению материала, а касательные напряжения по плоскости соприкосновения сыпучего материала с дном и стенками кузова имеют предельное значение, т.е. ттах=<лВ(Рв+с (здесь <7— нормальное напряжение к поверхности сдвига; % ~ Угол внутреннего трения; с - сила сцепления частиц сыпучего материала).

Рис. 3.1. Схема сил, действующих на сыпучий материал (по Р.Л. Зенкову)

В общем случае уравнение движения сыпучего материала в наклонном кузове равно:

С соз р + —

-1Х-1 Р,=0,

(3.1)

(3.2)

где (? - сила тяжести сыпучего материала, Н;

у'х.у'у - проекции ускорения, с которым движется сыпучий материал, м/с2;

N - нормальные силы Давления на дно кузова, Н/м2;

Ра, ру - проекции Усилия протаскивания тягового органа (ленты), Н;

/ - коэффициент трения сыпучего материала о дно и стенки кузова.

При прямоугольной форме кузова и длине кузова, равной единице, сила тяжести сыпучего материала равна

С=р Ь к К[,

где р - объемная плотность материала, кг/м3;

(3.3)

Ъ - ширина кузова (или его отсека), м; Л - средняя высота сыпучего материала в кузове, м; К1 - коэффициент, учитывающий, какую часть объема кузова занимает транспортер (для предварительных расчетов Я"/=1).

Нормальное давление-на дно кузова I N.,

где ТУс - среднее давление на дно кузова.

(3.4)

Подставив значения £Л? и й в уравнение (3.2) и решив его относительно получим

р bh\ eos р ■

Л

N =-

-1Ру

(3.5)

Полагая, что давление на стенки кузова возрастает пропорционально высоте сыпучего материала^ получим

EN/=NC (b+K6h)f, где Кб - коэффициент бокового давления К6 m¡n

1

1 + sin <рв

Подставив значение ZNf в уравнение (3.1), имеем

pbh[smp + ^\ + 'Zpx-Nc(b+Kth)f = 0 .

(3.6)

При разгрузке самотеком в уравнениях (3.5) и (3.6) следует принять 0 и Еру=0, тогда

Nc = ph eos ¡i +;

sinj3 + b.-f

KJi g Л b

eosj3 + — II1 + 1 = 0

(3.7)

Принимая начальную скорость движения частиц сыпучего материала в кузове уо=0, а конечную V, тогда ускорение частиц за время

\

. 2у2

перемещения в кузове длиной / будет равно у = —у. Подставив в IV2

уравнение (3.7)у'х= —иуу=0, получим

бш Р - - / соэ + —^г—| = 0 • (3.8)

Решая последнее уравнение относительно V, найдем

-Р

вт/З-/ соэ р\ 1 + ^

или, обозначив | I= £ > имеем

у = ^/(яп/}-есо$Ю , (3.9)

где е - коэффициент, учитывающий действие сил внутреннего трения и форму поперечного сечения кузова (для прямоугольного кузова при разгрузке пшеницы е= 1,65).

Принимая приращение скорости выгрузки материала равным нулю, найдем предельный угол наклона кузова, при котором скорость движения материала остается постоянной

Если принять для минеральных удобрений /=0,42-0,72; Кь-0,66; М>=0,2-0,375, то ДсРсд=25-40°.

Расчеты показывают, что при указанном угле наклона скорость разгрузки минеральных удобрений и зерна достигает 1,5-2 м/с.

При разгрузке сыпучего материала ленточным транспортером движущими граничными силами являются касательные напряжения, возникающие на поверхностях соприкосновения сыпучего материала с транспортером. Полагая, что >3=0 и разгрузка происходит с постоянной скоростью, равной скорости транспортера, поэтому ух=/у=0. Тогда уравнения (3.5) и (3.6) примут вид:

(3.10)

о

1р*-ЩЬ+Кб!г)/=0. (3.11)

Примем, что сила преодолевает сопротивление трения материала о дно и стенки кузова и силу внутреннего трения сыпучего материала, т.е.

^=ЬМс/+КзЬЫс , (3.12)

где /<"з - коэффициент, зависящий от конструкции тягового органа транспортера, который не должен быть больше коэффициента сопротивления сыпучего материала сдвигу: Кз</с-/ь+с/с (здесь /в - коэффициент внутреннего трения сыпучего материала). Подставив значение 1рх в уравнение (3.11), получим

ЬМ/+КзЬМ<г-ЩЬ+КЖ)/=0. (3.13)

Примем, что сумма проекций на ось у сил, действующих по поверхности соприкосновения сыпучего материала с тяговым органом, пропорциональна силе тяжести сыпучего тела

Еру=К4рЬИ, (3.14)

где Кц - коэффициент пропорциональности.

Подставив значение Х/?у в уравнение (3.5), получим

1у,=р!:-К4р11 -рк(1-Кл) . (3.15)

Подставив значение Л'с в уравнение (3.13) и решив его относительно й, получим выражение для определения наибольшей возможной высоты сыпучего материала в кузове при принудительной разгрузке транспортером

к=Ъ^- = К5Ъ±- , (3.16)

где Л*5 - коэффициент сцепления сыпучего материала с тяговым органом транспортера, К5 = .

Для прорезиненных погруженных лент К5= с'/, (здесь/, - коэффициент трения материала о поверхность ленты; с' =0,6 - 0,8 - поправочный коэффициент).

Разгрузка при одновременном действии объемных и граничных сил. При наклонном положении кузова проекции граничных сил 1/>х и £/>у дополняются составляющей силы тяжести материала рЪ)г .ч'иф.

Проекции граничных сил и 1ру определяются по уравнениям (3.12) и (3.14).

Подставив в уравнение (3.1) значения входящих в него составляющих и преобразовав, получим

Из последнего уравнения могут быть определены либо предельная скорость выгрузки, либо допустимая высота выгружаемого материала.

Усилия, возникающие при подъеме кузова и последующем опрокидывании для разгрузки материала, зависят от кинематики подъемного механизма и грузоподъемности загрузчика. Кинематические схемы подъема кузова выполняют в виде шарнирных четырех-звенников и рычажно-кулисных механизмов.

Максимальное усилие, которое должен развивать гидроцилиндр при предварительном подъеме кузова, определяется по формуле

где К - расстояние точки опоры гидроцилиндра от оси поворота рычага подъема на кузове; £?гр - сила тяжести груза, т;

1, - расстояние точки опоры гидроцилиндра от оси поворота рычага подъема на подрамнике.

(3.17)

3.2. Расчет усилия при опрокидывании кузова загрузчика

р =о _ т

шах р ъг ) 1 >

(3.18)

Усилие, развиваемое гидроцилиндром при опрокидывании кузова для выгрузки семенного материала и минеральных удобрении, определяется зависимостью

+ , т, (3.19)

где (л - собственная сила тяжести кузова загрузчика, т;

а,Ъ,Ъ1 и Л - соответствующие плечи сил, действующих в механизме опрокидывания; у- угол опрокидывания кузова загрузчика, град.; ¡1 - угол наклона гидроцилиндра при опрокидывании, град.

При разгрузке семенного материала и минеральных удобрений из кузова загрузчика на отдельных загрузчиках устанавливается также кузов с подвижным дном в виде ленточных транспортеров.

4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАСЧЕТ ЛЕНТОЧНЫХ ТРАНСПОРТЕРОВ ЗАГРУЗЧИКОВ

Ленточные транспортеры применяются в загрузчиках для принудительной разгрузки сыпучих материалов (зерна, удобрений, картофеля и т.п.) из кузова. В качестве подвижного дна кузова используется ленточный транспортер, состоящий, как правило, из двух работающих независимо друг от друга частей, который представляет собой питатель с дозирующим устройством.

Дозирование материала осуществляется при помощи дозирующего отверстия, высота которого регулируется путем подъема или опускания дозирующей заслонки.

При разгрузке сыпучего материала из кузова ленточным транспортером движущими граничными силами являются касательные напряжения, возникающие на поверхностях соприкосновения сыпучего материала с транспортером.

Под действием граничных сил со стороны движущейся ленты и сил трения на стенках кузова сыпучий материал переходит в предельное напряженное состояние: образуются плоскости сдвига, по которым происходит скольжение частиц относительно друг друга. Частицы материала, непосредственно примыкающие к ленте, движутся со скоростью, близкой к скорости ленты.

В массе движущегося материала можно выделить линию раздела (см. рис. 3.1), отстоящую от транспортера на расстоянии /п, равное высоте открытия выгрузной щели.

По мере удаления от ленты поступательная скорость частиц за счет сил внутреннего трения и сил трения на стенках кузова уменьшается.

При решении вопросов взаимодействия сыпучих материалов с ленточным транспортером воспользуемся положением теории давления на подпорные стенки из механики сыпучих тел. Так, для сыпучих материалов, в которых отсутствуют силы сцепления, характер разгрузки определяется только силами трения материала о ленту транспортера и стенки кузова. А так как силы трения зависят от нормального давления и коэффициентов трения и не зависят от площади контакта материала с лентой и стенками кузова, то транспортирующая способность ленты возникает в результате разности коэффициентов трения материала о ленту и стенки кузова, а также разности нормального давления на дно и стенки.

Для материалов, обладающих сцеплением и трением, характер выгрузки изменяется. Так как сила сцепления зависит от площади и не зависит от нормального давления, то с увеличением высоты и длины транспортируемого слоя материала увеличивается площадь взаимодействия материала со стенками кузова, а следовательно, и сопротивление, препятствующее выгрузке материала, находящегося на ленте транспортера.

Определим соотношение между длиной, высотой кузова и высотой дозирующего отверстия при условии отсутствия выпирания материала перед передней стенкой кузова. Материал, находящийся на ленте, перемещается ею при условии, если сила трения материала о ленту будет больше силы сопротивления /¡*с материала сдвигу, т.е.

Л^с . (4.1)

Сила, необходимая для сдвига материала по плоскости, параллельной дну кузова, на высоте /и равна

^с=Сл/с, (4.2)

где Сд - сила тяжести материала, приходящаяся на плоскость сдвига, Н;

/с - коэффициент сопротивления сдвигу.

Для определения (7Л воспользуемся уравнениями сил активного и пассивного давления механики сыпучих тел, примененными С.И. Назаровым для обоснования параметров питателей машин для внесения в почву минеральных удобрений. На боковые стенки кузова действуют силы активного давления материала

tgf45° - ^%ínÍ45° - -^)cos

л -----, _ . —J (D.

7 \ 7

Eí,=(h-h\)2Lp —--él-^-±¿- , (4.3)

siní 45° +cp¡

а также сила тяжести материала, воспринимаемая ими,

<7б =Евtg<p¡ =Еф=(h-h¡J2LpA , (4.4)

где f\ -tg(p\ - коэффициент трения материала о стенки кузова.

На заднюю стенку кузова также действуют активное давление и соответствующая сила тяжести

G3=-¿EJl=j(h-hl)2bpA. (4.5)

Передним бортом кузова воспринимаются пассивное давление и соответствующая сила тяжести материала

Gn=±EJy=±{h-hx)2bpB . (4.6)

В приведенных формулах коэффициенты А и В соответственно равны:

tg(45" - ^jsin(450 - £ jsinф, tg^45" +1jsin^45° + |jsinq

sin^45" + q>t +1j sin^45° + <p, -1j

где (p - угол внутреннего трения материала;

ф1 - угол внешнего трения материала о стенки кузова. Сила тяжести материала над линией раздела в начале разгрузки

G0=bL(h-hi)p. (4.7)

Тогда с учетом уравнений (4.4), (4.5), (4.6) и (4.7) сила тяжести равна

Ga=G0-G6-G3-G„. (4.8)

Сила трения материала о ленту равна

F„=[G-(G<AG,I+C„)yn,

где С=ЬМр - сила тяжести материала в кузове.

Подставив значения всех параметров в уравнение (4.1) и решив его относительно Ь, получим

ии-и^ьЩА + в)-/^^)}

Ь >---:--(4 91

Из последнего уравнения видно, что минимальная длина донного транспортера, обеспечивающая процесс выгрузки материала из кузова, зависит от высоты выгрузной щели ширины Ъ и высоты /г материала в кузове, углов внутреннего <р и внешнего <р; трения, коэффициента трения материала о ленту и коэффициента сопротивления материала сдвигу.

Производительность загрузчиков. В общем случае производительность загрузчиков определяется по уравнению

б^бгТ^р, т/ч, (4.10)

где / - коэффициент использования объема кузова (для самосвальных загрузчиков ¿=1; с ленточным транспортером ¿=0,8-0,9); - площадь поперечного сечения кузова для самосвальных загрузчиков или площадь сечения дозирующей щели для загрузчиков с принудительной разгрузкой;

V - скорость разгрузки, м/с.

Для определения влияния величины выгрузной щели на производительность при разгрузке сыпучих материалов были проведены опыты на пшенице (IV-14 %, р=0,835 т/м3) и гранулированном суперфосфате (1У=5%, />=1,1 т/м3).

Опыты проводились в кузове, разделенном на два отсека одной продольной перегородкой. Ширина дозирующего отверстия во всех опытах была равна ¿=0,645 м, скорость ленты транспортера поддерживалась постоянной и равнялась 0,23 м/с.

Изменение удельной производительности (пропускной способности единицы площади дозирующего отверстия в единицу времени) в зависимости от высоты к\ представлено на графиках рис. 4.1. Из графиков следует, что вначале при высоте дозирующего отверстия менее 20-25 мм фактическая производительность меньше расчетной, затем после увеличения высоты Л: свыше 30 мм фактическая производитель-

ность выше расчетной и достигает максимума при высоте /¡1=60-70 мм. Повышение удельной производительности при увеличении высоты дозирующего отверстия обусловлено эффектом самоистечения материала, и чем больше высота Ь\, тем больше проявляется самоистечение материала.

При открывании заслонки более 70 мм удельная производительность резко уменьшается за счет сопротивления вышележащих слоев материала.

В результате опытов также установлено, что при высоте дозирующего отверстия 30-40 мм удельная производительность при выгрузке порошкового суперфосфата, калийной соли и мочевины остается постоянной и равна 600-650 м3/ч м2, или 45-65 т/ч.

Более точно производительность ленточного питателя может быть определена по уравнению

а=3,6КуКсКгруМи (4.11)

где Ку - коэффициент уплотнения сыпучего материала (Л'у=1,1-1,5 для минеральных удобрений);

Кс - коэффициент, учитывающий скольжение ленты относительно материала (АГС=1,0-0,70);

Кг - коэффициент, учитывающий изменение скорости выгрузки по высоте слоя материала (К-0,75-0,85).

v^ - скорость ленты, м/с.

п м3

900-

800

700

w го зо ko 50 60 70 hi.m

Рис. 4.1. Зависимость удельной производительности от высоты дозирующего отверстия: 1 - расчетная удельная производительность; 2 - фактическая удельная производительность на пшенице; 3 - то же на суперфосфате

г---N. г—__ N

1 / «

J. i

Из последнего выражения могут быть определены параметры дозирующего отверстия (Ь и 1ц). Ширина ленты транспортера может быть определена по заданной грузоподъемности соответствующих отсеков кузова (зернового и для минеральных удобрений):

В = Жг ■ (4Л2)

Мощность привода. Мощность, необходимая для привода транспортера, распределяется: на перемещение собственно транспортера N¡, на котором находится вся масса материала; на преодоление сил трения слоя движущегося материала о неподвижные слои /У2; на изменение скорости частиц материала М, т.е. N=N1 +М2+Л'з.

Подставляя в последнее выражение значение составляющих мощности, получим

N р + Си)+ <7„/в + qv^\K3 , (4.13)

где ц - кпд привода;

(Ос - коэффициент сопротивления перемещению транспортера (гзс =0,04-0,06);

Отр - сила тяжести транспортерной ленты, Н (ориентировочно сила тяжести прорезиненной ленты длиной 1 м (?тр =(100-150) В;

<7М - сила тяжести материала, находящегося на ленте транспортера, Н;

/в - коэффициент внутреннего трения отгружаемого материала;

q - расход материала, кг/с;

Кг - коэффициент запаса мощности (Л",= 1,15-1,25).

Результаты расчета по формуле (4.13) и исходные данные приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Показатели Ут ®г (Утр И Ь Ь Р Я N

Размерность м/с н м м м т/м3 - кг/с м кВт

Значения показателей 0,31 0,05 1960 0,7 1,60 5,4 0,90 0,5 120 0,08 12,0

Экспериментальные исследования по определению потребной мощности для подающего ленточного транспортера проводились на лабораторной установке. Привод транспортера, состоящего из двух

лент шириной по 0,8 м, осуществлялся от коробки отбора мощности автомобиля ЗИЛ-133Г1.

Мощность определялась при нагрузке материала на ленте от 1 до 8 т с интервалом в 1 т. Открыты были обе заслонки выпускных щелей, при этом /¡/=0,07 - 0,08 м. Исследования проводились на пшенице (1У=\5 %, р=0,8 т/м3) и песке 40 %, р=1,7 т/м3). Результаты опытов представлены на графиках рис. 4.2.

Рис. 4.2. Зависимость мощности привода подающего ленточного транспортера от нагрузки: 1 - пшеница;

2 - песок

Прочность ленты транспортера рассчитывается по максимальному окружному усилию на приводном барабане и по максимальной силе натяжения ленты.

Запас прочности прорезиненной ленты определяется по формуле А'п=гВ[АГр]/5тах (здесь / - число прокладок или слоев ткани; [АУ - предел прочности на разрыв одной прокладки; Л" - максимальное натяжение ленты, Н). При предварительных расчетах Бтак-^СщЬдс, где

е/а

К5 = —--- - коэффициент тягового фактора, (здесь а - угол охвата

е/а -1

лентой тягового барабана, /'- коэффициент сцепления ленты с барабаном); С - коэффициент, зависящий от длины транспортера, е/с -суммарная нагрузка на 1 м длины транспортера, Н.

Расчеты, а в дальнейшем и опыт эксплуатации подтвердили следующие параметры ленточного транспортера для базового погрузчика ЗАУ-З: число лент 2; ширина ленты 5=0,8 м; толщина прорезиненной ленты 5=10 мм с числом слоев 8; скорость ленты 0,5 м/с; диаметр приводного барабана ¿=0,17 м.

5. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ШНЕКОВЫХ ТРАНСПОРТЕРОВ

Шнековые транспортеры относятся к транспортерам, не имеющим тягового органа: сыпучий материал перемещается лопастями шнека внутри кожуха. Материал удерживается от вращения вместе с винтом силой тяжести и трением между грузом и стенками кожуха.

В мобильных загрузчиках шнеки устанавливают в качестве промежуточного (поперечного) транспортера и наклонного выгрузного элеватора. В загрузчиках-смесителях выгрузной шнековый-элеватор выполняет также роль смешивающего рабочего органа. Поперечный шнековый транспортер подает вынесенный донным ленточным транспортером материал на наклонный элеватор, который подает материал в загружаемую машину. Поперечный шнек размещается в открытом, а наклонный - в закрытом желобах.

При расчете параметров шнековых транспортеров должны быть заданы: характеристика транспортируемого материала, производительность <2 в т/'1 "ли м3/ч, длина транспортера Ь и угол его наклона к горизонту.

Необходимо определить следующие параметры: Б - диаметр шнека; 5 - шаг спирали шнека; п - частота вращения и у/ - коэффициент заполнения.

5.1. Траектория перемещения материала шнеком

На частицу материала (рис. 5.1), находящуюся на рабочей поверхности вращающегося шнека, действуют: сила тяжести сила трения /\mgcosa, увлекающая ее во вращение, центробежная сила тчЧЯ, прижимающая частицу к кожуху, где возникает тормозящая вращательное движение частицы сила трения [гтчЧИ (здесь/1 и/2 - коэффициенты трения частицы о виток шнека и о поверхность кожуха). Суммарное воздействие всех сил приводит к тому, что частица несколько отстает в движении от шнека, т.е. вращается с меньшей угловой скоростью, чем угловая скорость шнека, и, следовательно, частица приобретает скорость в осевом направлении.

Траектория движения частицы внутри кожуха шнекового транспортера определяется следующими соотношениями:

для тихоходных горизонтальных и пологонаклонных шнеков, когда mvЧR<mg - траектория имеет вид колебательно-поступательного движения;

для быстроходных горизонтальных и крутонаклонных шнеков, когда fmvI/R>mg - частица движется по винтовой траектории с шагом

Рис. 5.1. Схема сил, действующих на частицу материала

Наибольшую скорость на окружности шнека, при которой частица не имеет осевого движения, а вращается вместе со шнеком, можно найти, приравняв все действующие силы к нулю:

mgsin а + mgcos af j + mv\vfj2 sin a / R - mvlpf2 cos a / R = 0, (5.1) откуда

v„„ = Jy-tgCa + tpj

(5.2)

где cpi=arctg/i

a - угол подъема витков шнека.

Выражая окружную скорость шнека через частоту вращения, по-

лучим

(5.3)

При частоте вращения шнека п>пКр частицы материала будут двигаться вдоль оси шнека.

5.2. Производительность шнекового транспортера

Производительность шнекового транспортера может быть определена по формуле

Q=47KnK$ yfKTD3np , т/ч,

(5.4)

где К„ - коэффициент производительности (для горизонтальных шнеков: Л"п=0,3 - 0,6 для зерна; Л'п=0,4 - 0,8 для минеральных удобрений);

Щ - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона шнека:

Р, град. 0 5 10 15 20 30 40

Ка 1,0 0,9 0,8 0,7 0,65 0,58 0,52

у/ - коэффициент заполнения желоба шнека (для зернистых материалов i//=0,35 - 0,45; для молотых t//=0,45 - 0,55; для картофеля и свеклы у/=0,3 - 0,4);

/м - коэффициент пропорциональности между S и D.

Выбор диаметра и шага шнека. Диаметр шнека выбирается в зависимости от производительности транспортеров:

2,т/ч 7,5 - 10 10-20 20-30 30- 50

Д мм 150 200 250 300

Шаг шнека S принимают в зависимости от диаметра по соотношению S-KtD, где Л7=0,7-1,25 для горизонтальных и пологонаклон-ных шнеков транспортирующих зерно, удобрения.

Число оборотов шнека при заданной производительности можно определить из уравнения (5.4):

"=47■ (5'5)

Для Q=50-60 т/ч, Кп=0,4, К(,=1; у/=0,45; Кт= 1; D=250 мм; р=0,9 т/м3 получим «=300-400 мин"1.

Экспериментальные данные о влиянии на производительность частоты вращения шнека п и коэффициента заполнения у/показаны на графиках рис. 5.2 (опыты проведены на тукосмеси гранулированного суперфосфата и хлористого калия с соотношением 1:2).

Зависимости Q=f(nJ и Q~f( yj имеют линейный характер. Зависимость Q=f( цг) с увеличением частоты вращения от 100 до 200 мин"1 становится более крутонаклонной, и даже незначительное изменение коэффициента ^влияет на производительность шнека.

На рис. 5.3 представлена зависимость коэффициента заполнения у/ от угла наклона транспортера к горизонту /3 и производительности Q при постоянной частоте вращения шнека и=350 мин"1. Из

графиков видно, что с изменением угла наклона /3 от 0 до 28° коэффициент заполнения для обеспечения заданной производительности должен увеличиваться . Это объясняется тем, что с увеличением угла наклона шнека возрастает составляющая силы тяжести материала, направленная вдоль оси шнека вниз,- происходит осыпание материала в межвитковое пространство.

Рис. 5.2. Зависимость производительности и мощности от частоты вращения и коэффициента заполнения

«в I

/ ^"К 1

п-ш

П-200 к«

Л>-/м

о

ЗОгГ?

но

200

250 300

350

0,2 ЦЬ 0,6 0,8

N

- 3 60

? г е" «о §

- { 3 О г:

- П

ш п

10 Г

Рис. 5.3. Влияние угла наклона шнека на коэффициент заполнения

1

1

ао

0,5

0,2

< ^—

зо у*

о 7 <4 2! 2В р>, град. Угол наклона корпуса смесителя

5.3. Мощность привода шнекового транспортера

Мощность привода шнекового транспортера определяется по выражению

N = KK,^{L + H)<o0 , (5.6)

где К= 1,05 - 1,40 - коэффициент, учитывающий потери энергии на перемешивание и дробление транспортируемого материала;

Ар - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона транспортера:

¡3 до 20° 20- 25° 25-30° 30 -35»

Кй 1,0 1,05 1,13 1,2

ц - кпд передачи;

L - длина транспортирования, м;

H - высота подъема материала;

Шь - коэффициент сопротивления, зависящий от физико-механических свойств груза (для зерна <у,= 1,2; для минеральных удобрений oh =2,5).

Коэффициент заполнения шнека существенно отражается на энергоемкости процесса (см. рис. 5.2): кривые N=f(y) имеют минимум при значении у/=0,4 - 0,8. С увеличением угла наклона шнека (рис. 5.4) и при производительности 30, 40 и 50 т/ч мощность увеличивается соответственно в 2, 3 и 5 раз.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить параметры и режимы работы поперечного и отгружающего шнековых транспортеров мобильных загрузчиков:

Поперечный транспортер Наклонный элеватор

Диаметр шнека, мм 250 250-

Шаг витков, мм 225 200

Частота вращения, 200-250 400-450

6. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАСЧЕТ СКРЕБКОВЫХ ТРАНСПОРТЕРОВ

Основными параметрами скребковых транспортеров являются: ширина и высота скребка; шаг скребков и рабочая скорость.

Все эти параметры зависят от заданной производительности транспортера, рода перемещаемого материала, угла наклона транспортера к горизонту.

Объем груза, находящегося перед скребком (в промежутке между скребками), зависит от свойств груза (кусковатости, угла естественного откоса) и скорости движения скребков. Легкосыпучий зернистый и пылевидный груз располагается перед скребком отдельной порцией (телом волочения), продольное сечение которой близко к неравнобо-кой трапеции. Угол наклона длинной стороны этой трапеции <р примерно равен углу естественного откоса в движении. Плохо сыпучий и кусковый груз перемещается более равномерным слоем.

Во избежание пересыпания груза через скребок высота груза должна быть несколько меньше высоты скребка. С увеличением угла наклона транспортера объем груза перед скребком уменьшается, что приводит к снижению производительности.

Определим объем призмы волочения, перемещаемый одним скребком (рис. 6.1).

Согласно принятым обозначениям на рис. 6.1,а объем порции груза перед скребком равен

у = (6.1)

Рис. 6.1. Схема к определению призмы волочения груза (а) и условия устойчивости тяговой цепи (б)

По экспериментальным данным угол обрушения (осыпания) ср транспортируемого материала при движении на 5-10 % меньше угла естественного откоса этого материала, находящегося в покое. Для зерновых материалов в среднем ф=27°, тогда /=/|+2/г, а объем порции материала У=(1\+11))гВ. Подставив в последнюю формулу 1\=К\1г и В=КгЪ, где #1=2-4 и Кг=2 - 3, получим

У=(1+К\)К2& . (6.2)

Производительность скребкового транспортера равна

(3 = 3,6ру/уУ . (6.3)

Подставив в формулу (6.3) выражение (6.1), получим производительность для связных, липких и кусковых материалов, а подставив выражение (6.2) - для зерновых.

После преобразования можно определить высоту скребка (м): для связных, липких и кусковых материалов

А = уз^АГ, + {),5с1Е<р)К2ру ; (6'4)

для зерновых материалов

. _ &

где Г=(3 - 6)й - шаг между скребками; во избежание сгруживания следует обеспечивать 1>1.

Для предварительных расчетов можно использовать упрощенную формулу производительности

2=3,6Су/р/г£\/,т/ч. (6.6)

Учитывая соотношение В-к2к, в зависимости от назначения транспортера определяем:

/,= г~~<г~ и ^(ж, (6.7)

У 3,6 СК^ру у 3,6 Суру

где V - скорость транспортирования (движения тяговой цепи), м/с, принимается для корнеплодов от 0,3 до 0,5 м/с, для пылевидных материалов (муки), навоза и т.п. от 0,5 до 1 м/с, для зерновых -от 1 до 2 м/с;

у/ и С - коэффициенты соответственно заполнения и учета влияния угла /3 подъема транспортера. Значения коэффициентов у/и С приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Значения коэффициентов С и у/

Груз Коэффициент V Коэффициент С при р

10° 20° 30° 45°

легкосыпучий 0,5 - 0,6 0,85 0,65 0,5 0,35

плохосыпучий 0,7 - 0,8 1,0 0,85 0,75 0,6

Выбранные размеры h и В округляются до нормального ряда по ГОСТ 7116-84.

Под действием сил сопротивления перемещению груза скребок и звено цепи, к которому он прикреплен, отклоняются на некоторый угол 0, при этом возможно всплывание и заклинивание скребка. Этому отклонению препятствует натяжение цепи. Рассмотрим равновесие сил, приложенных к скребку (рис. 6.1, б):

G sin a h cos0+/(? cosa/z cos0= t sin© ,

откуда минимальное натяжение цепи

_ sin a + / eos a h^ tg© t '

где 0 = 2-3° - угол отклонения скребка;

С-с^Ь - сила тяжести груза, Н.

Потребная мощность. При работе скребкового транспортера преодолеваются: сопротивление подъему груза; силы трения между грузом и желобом; силы трения скребков и ленты (цепей) о желоб и поддерживающие опоры; сопротивление вращению звездочек или натяжных барабанов и сопротивление жесткости ленты (цепи) при ее перегибах на натяжных барабанах.

Необходимая мощность двигателя скребкового транспортера может быть определена по формуле:

102т]пя 367г)„

где е-удельная энергоемкость транспортирования, кВтч/(тм);

А - коэффициент, учитывающий реверсивность транспортера (для реверсивных 1,1; для нереверсивных 1,0);

¿1 - наибольшая длина транспортирования, м;

¿2 - длина транспортера между звездочками, м;

/с - коэффициент сопротивления движению цепи (при роликовых опорах под верхней ветвью цепи 0,2 - 0,3; при плоских направляющих 0,3 - 0,4);

V - скорость цепи, м/с;

А| - коэффициент потерь мощности на звездочках (А|=1,1);

Хг - коэффициент, учитывающий длину Ь2 (при £2<40 м А2=5-¿у 10; при £2>40 м А2=1);

г\п - кпд передачи;

Н- высота подъема груза, м.

Удельная энергоемкость транспортирования для различных грузов составляет:

Продукт £• 10'3 кВт ч/(т м)

Пшеница, рожь, ячмень, кукуруза 1,5-2,3

Овес 1,6-1,8

Просо 4,0-5,0

Мука 2,0-3,0

Комбикорм 1,9-2,9

Для определения параметров и режимов работы ленточно-скребкового транспортера были проведены опыты на пшенице влажностью ^=15,3 % и объемной плотностью р=0,70 т/м3. Зависимость производительности Q (т/ч) и удельной энергоемкости А^д (Вт ч/т) от

отношения ширины скребка В к его высоте А (В:к=К) и от шага скребков / определялась при угле наклона транспортера Р=40° (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Зависимость производительности и удельной энергоемкости от параметров ((, В:И) и режимов работы (V, у/) ленточно-скребковых

транспортеров

Из графиков на рис. 6.2, а и б видно, что с увеличением коэффициента &с1,15до4-5 производительность транспортера £) повышается, а удельная энергоемкость снижается. Дальнейшее увеличение к вызывает снижение производительности и повышение удельной энергоемкости. На рис. 6.2, в показаны графики зависимости производительности Q и удельной энергоемкости Л'уд от скорости скребковой ленты. Из графиков видно, что с увеличением скорости ленты производительность растет, а удельная энергоемкость сначала при скорости 2,0 - 3,5 м/с увеличивается, а затем снижается. Такое изменение Л'уд обусловлено изменением коэффициента заполнения у/ скребкового транспортера. Влияние коэффициента заполнения 1//на удельную энергоемкость при различной скорости ленты показано на рис. 6.2, г. Из

графиков видно, что минимальная энергоемкость имеет место при у/=0,6 - 0,8. Дальнейшее снижение или повышение коэффициента у/ приводит к резкому повышению Л'уд.

Экспериментально-теоретические исследования позволили обосновать следующие параметры ленточно-скребкового элеватора погрузчика ЗСВУ-З:

длина элеватора, мм 7130

ширина В, мм 250

толщина ленты, мм 8-9

шаг скребков, мм 270

высота скребков, мм 45

скорость ленты, м/с 3,0-3,5

угол подъема элеватора, град. до 45

Государственные испытания загрузчика ЗСВУ-З (протокол Сев,-Кав. МИС № 24-6-7-79) показали, что при погрузке минеральных удобрений в вертолеты М-15 и МИ-2, а также в самолет АН-2 производительность загрузчика была от 65 до 88 т/ч, а при загрузке семенами озимой пшеницы сеялочных агрегатов - 63,2 т/ч.

7. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗАГРУЗЧИКА-СМЕСИТЕЛЯ

7.1. Классификация тукосмесителей

Процесс смешивания твердых сыпучих и вязких материалов весьма распространен в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве. Смешивание минеральных удобрений стали применять в тридцатых годах. Как правило, для смешивания минеральных удобрений непосредственно перед1 внесением смесительные установки включали кузов, разделенный на несколько отсеков, дозирующее устройство, смесительную камеру и выгрузной транспортер.

На рис. 7.1 представлена классификация смесителей минеральных удобрений и их рабочих органов. Классификация выполнена по следующим признакам: по способу установки, характеру процесса смешивания и его способу.

ч По способу установки тукосмесители можно подразделить на стационарные и мобильные.

Большинство смешивающих рабочих органов, применяемых в тукосмесителях, однотипны: винтовые или барабанные (рис. 7.1, позиции 2,4,9).

Стационарные тукосмесители оснащаются приемными и подающими устройствами, дозаторами (весовыми или объемными), емкостями-накопителями, из которых приготовленная тукосмесь подается в транспортные средства или хранилища. Монтируются установки на крупных складах.

На стационарных тукосмесителях применяются самые разнообразные смешивающие рабочие органы (рис. 7.1, позиции 1-11).

смесители минеральных удобрений

\По споШу №ремеши5анЁ\ \ По характера осцщестИленив процесса [ f По способу цстаноШ

Периодического iейстбия |

IL

-то

О

НепрерыНтго ¡ейстбия

rrWV

ТО

WW1

А А А А

уу

стационарные

</ «г

s:/ sV

V

Шильные

Рис. 7.1. Классификация тукосмесителей и их рабочих органов: 1, 2, 4, 5 - винтовые; 3-роторный; 6 - пневматический; 7, 8,9,10 -барабанные; 11,12- гравитационные

Конструкции мобильных смесителей включают кузовные устройства, смешивающие рабочие органы (рис. 7.1, позиции 2, 4,9, 12) и выгрузные транспортеры. Они преимущественно монтируются на шасси автомашин и транспортных прицепов.

По назначению их можно подразделить на загрузчики-смесители и смесители-разбрасыватели.

По характеру процесса смешивания стационарные и мобильные смесители могут быть как непрерывного, так и периодического действия. Рабочий процесс в смесителях периодического действия (рис. 7.1, позиции 1, 7-9) складывается из загрузки компонентов, перемешивания их до однородной массы и выгрузки. Преимуществом смесителей периодического действия является простота дозирования и управления, а недостатком - большие трудозатраты в результате повторяющихся операций загрузки и выгрузки.

Более эффективными являются смесители непрерывного действия (рис. 7.1, позиции 3-6, 10-12). Технологический процесс осуществляется в них без потерь труда и времени на перегрузку, сокращается расстояние между загрузкой исходными компонентами и выгрузкой готовой смеси. Недостатком смесителей непрерывного действия является более сложная система дозирования.

Тукосмесители по способу перемешивания могут быть подразделены на смесители с перемешиванием под действием объемных сил (сил тяжести материала) или под действием граничных сил (активных рабочих органов). Под действием объемных сил производится смешивание в барабанах и гравитационных смесителях (рис. 7.1, позиции 7 -12). В барабанных смесителях, как гладкостенных, так и имеющих винтовые направляющие (рис. 7.1, позиции 7 - 10), смешивание производится путем пересыпания компонентов удобрений при вращении барабана. Конструкция очень проста по устройству и поэтому широко применяется в смесителях периодического действия. Недостатком таких смесителей является значительная длительность одного цикла.

Гравитационный смеситель представляет собой колонну, состоящую из нескольких секций, которые соединены наклонными желобами или конусными воронками, перемещаясь по которым удобрения смешиваются.

К гравитационным смесителям можно отнести также ленточный транспортер (рис. 7.1, позиция 12) с установленными над ним неподвижно в шахматном порядке рассекателями, выполненными в виде стоек с открылками. Смешивание происходит в результате пересыпания компонентов при обтекании ими рассекателей.

Перемешивание под действием граничных сил производится в винтовых, роторных и пневматических смесителях.

Наиболее распространенную группу смешивающих рабочих органов составляют винтовые рабочие органы. К ним относятся сплошные, ленточные и лопастные шнеки, как одновальные, так и двухваль-ные (рис. 7.1, позиции 1 - 6). Основные узлы винтовых смесителей -неподвижный корпус и вращающийся вал с закрепленными на нем по

винтовой линии рабочими органами. Удобрения смешиваются при транспортировании в результате многократных перелопачиваний, пересыпаний и циркуляции материала между лопастями.

Преимуществами таких смесителей являются простота устройства, удовлетворительное качество смешивания и возможность перемешивания увлажненных материалов.

Роторные смесители смешивают компоненты, рассекая движущиеся на ленте транспортера их слои. Они используются преимущественно в стационарных условиях (рис. 7.1, позиция 3).

Пневмосмеситель относится к стационарным установкам непрерывного действия (рис. 7.1, позиция 6). Компоненты смешиваются при их транспортировании по трубопроводам, при этом обеспечивается удовлетворительное качество смешивания.

7.2. Основные теоретические работы по смешиванию твердых сыпучих материалов

Компоненты смеси, раздельно загруженные в смеситель, необходимо соединить таким образом, чтобы в любом малом объеме (пробе), взятом в произвольной точке массы после смешивания, они содержались в требуемом соотношении. Однако такое состояние механической смеси практически получить не удается. Одной из причин этого является конструктивное несовершенство смесителей. Инженерные попытки улучшить качество смешивания путем только конструктивных изменений рабочих органов не привели к положительным результатам.

Вследствие исключительной сложности процесса смешивания сыпучих материалов до сих пор не существует надежных расчетных формул для определения параметров и режимов работы смесителей.

За последнее время выполнено большое количество работ по исследованию процесса смешивания, в которых делаются попытки решить основную проблему: раскрыть сущность механизма перемешивания, т.е. кинетику процесса.

В проведенных ранее работах модели процесса существенно отличаются от действительного, поскольку в реальных смесителях смешивание сыпучих материалов сопровождается обратным процессом -их разделением (сепарацией).

Впервые кинетика процесса смешивания с учетом разделения смеси была обоснована \Yeydanz. В России Е.А. Раскатова рассматривала однородность смеси как разность скоростей процессов смешивания и разделения, а П.К. Жевлаков и Ф.Г. Стукалин предложили кинетику процесса смешивания оценивать алгебраической суммой скоростей прямого и обратного процессов.

Определение кинетики процесса смешивания сыпучих материалов, предложенное указанными выше российскими учеными, наиболее полно соответствует реальному процессу. Однако все эти работы имеют чисто теоретическое значение, так как отсутствуют формулы, позволяющие описывать кинетику процесса.

Помимо изучения теоретических вопросов процесса смешивания был выполнен ряд работ по исследованию различных смешивающих рабочих органов. Одной из первых таких работ была работа К.П. Севрова, в которой дана методика расчета основных параметров двухвального лопастного смесителя периодического действия для смешивания минеральных дорожных компонентов с жидким битумом.

В работе Ф.К. Новобранцева для одновального лопастного смесителя непрерывного действия теоретически установлена зависимость потребной мощности от конструктивных параметров смесителя и режимов его работы.

H.П. Зеленский по результатам исследования одновального лопастного смесителя путем аппроксимации опытных кривых получил ряд эмпирических уравнений для расчета параметров и режимов работы смесителя.

Практически все рассмотренные работы связаны с разработкой смесителей для различных видов кормов. Процесс смешивания минеральных удобрений изучен в меньшей степени. В периодической литературе опубликованы лишь статьи Ю.А. Иванова, И.Ф. Сендрякова и В.А. Чуешкова.

Рассмотрев конструкции тукосмешивающих устройств и проанализировав основные работы по исследованию процесса смешивания, можно сделать следующие выводы:

I. Наиболее перспективным направлением в разработке тукосмешивающих устройств является создание мобильного загрузчика-смесителя.

2. Смешивающий рабочий орган загрузчика-смесителя должен быть непрерывного действия и совмещать операции загрузки и смешивания. Для этого могут применяться винтовые одновальные рабочие органы (сплошные или лопастные шнеки), как наиболее компактные и обеспечивающие удовлетворительное качество перемешивания компонентов.

Для решения этих вопросов необходимо было провести экспериментально-теоретическое исследование процесса смешивания сыпучих компонентов лопастным смесителем.

7.3. Теоретический анализ лопастного смесителя

Процесс смешивания как сгатистико-вероятностная система

Движение сыпучей массы в смесительной камере отличается хаотичностью: частицы, движущиеся в разных направлениях, имеют различную скорость, в их траекториях отсутствует какая-либо закономерность. Если движение одной отдельно взятой частицы может быть описано с помощью дифференциальных уравнений, то применять законы механики для всей совокупности частиц невозможно, поэтому процесс смешивания может быть отнесен к вероятностным системам.

Характерной чертой вероятностных систем является динамичность процессов. Очевидно, что процесс смешивания частиц обладает таким же свойством, как и вероятностные системы, т.е. в нем отсутствуют какие бы то ни было зависимости строгой регулярности, жесткой связности. Это свойство и является неким правилом, необходимым требованием, предъявляемым к вероятностным системам и определяющим принадлежность к ним.

Эту характерную черту вероятностных систем выявил Р. Мизес и назвал принципом иррегулярности.

Применительно к процессу смешивания иррегулярность означает невозможность предсказания последующего расположения частиц, т.е. невозможность алгоритмического описания процесса (имеются в виду детерминированные алгоритмы). Если бы была возможность составить алгоритмы, то процесс смешивания подчинялся бы законам механики (жесткой детерминации).

Вероятностную закономерность систем, обладающих иррегулярностью, устанавливают благодаря наличию другого не менее важного свойства - устойчивости, т.е. сохранения характерного признака при определенной последовательности явлений.

Для выявлении устойчивости при смешивании рассмотрим более подробно этот процесс. Компоненты загружаются в смеситель раздельно, послойно. Так как процесс смешивания носит иррегулярный характер, то с самого его начала происходит проникновение одних компонентов в слои других. Если представить смешивание в статике, то можно сказать, что происходит обмен местами частиц разных компонентов. Одновременно с этим происходит и обратное явление - возвращение частиц в исходное положение. Но так как в начальный момент смешивания такие случаи единичны, то этот факт имеет малую вероятность. С увеличением же взаимного проникновения, т.е. с повышением однородности смеси, число возвращающихся частиц также значительно повышается. Вероятность обратного процесса возрастает. В определенный момент границы между слоями компонентов .практически уничтожаются и они равномерно распределяются друг в дру-

ге, и скорости прямого и обратного процессов (смешивания и разделения смеси) становятся равными по абсолютной величине. Такое состояние называется состоянием предельной однородности. Повторные опыты различных исследователей показали полную воспроизводимость явлений. Изменение этого процесса представляют с помощью экспоненты. Рассмотренная схема позволяет высказать предположение, что обратный процесс подчиняется той же закономерности.

При иррегулярном движении частиц компонентов каждый раз происходят процессы смешивания и разделения до установления равновесия системы. Это и есть проявление устойчивости. При этом разность скоростей процессов смешивания и разделения характеризует кинетику процесса смешивания, которая поддается аппроксимации обычными дифференциальными уравнениями.

Таким образом, перераспределение частиц в общей массе может быть описано с помощью вероятностных закономерностей, а кинетика процесса (устойчивость системы) - с помощью детерминированных выражений.

Характер перемещения твердых частиц в лопастном смесителе

Лопастные шнеки широко применяются в сельскохозяйственных машинах, однако характер перемещения в них сыпучего материала изучен недостаточно. В работах А.И. Тимофеева и Ф.К. Новобранцева основные выводы сделаны на основании предположения, что материал перемещается только в нижней части корпуса смесителя.

Рассмотрим движение частицы удобрений по лопасти шнека под действием приложенных сил и сил инерции (рис. 7.2). Условие равновесия частицы запишется следующей системой дифференциальных уравнений:

где Ф=Ш+\у (здесь у/ - угол, определяющий положение лопасти при попадании на нее частицы);

mg сое Ф + 2 то ыпау+ N = 0

-/я^втФ - 2тсо со% а та1 г - /Ы У = = 0 • (7.1)

7

mg сое Ф соэ а + 2тсо сох а у- /И ——— = 0 ,

а- угол установки лопасти, а=90°-/3;

г - расстояние от оси вращения до рассматриваемой частицы; со- угловая скорость вращения шнека; /- коэффициент трения тукосмеси по поверхности лопасти; N - нормальное давление лопасти на частицу.

Упростим данную систему, введя переменные У = у, Z = г и исключив с помощью первого уравнения параметры N и т:

где неизвестные функции, выражающие составляющие скорости

движения частиц у тл z соответственно по оси у (в направлении радиальной длины лопасти) и по оси г (в направлении оси смесителя).

Независимой переменной в системе (7.2) является время I, отсчитываемое от некоторого начального момента.

При решении системы (7.2) определяли изменение осевой составляющей скорости г в течение одного оборота лопасти смесителя. Расчеты проводились на ЭВМ по стандартной программе методом Рунге - Кутта с автоматическим выбором шага. Выполнено пять серий

(7.2)

У

Рис. 7.2. Схема сил, действующих на частицу

расчетов для различных значений параметров смесителя и начальных условий.

Полученные интегральные кривые г = z(t,ceí^l/,r,n) (рис. 7.3) имеют синусоидальный вид с двумя максимумами осевой скорости. Экстремумы соответствуют диаметрально противоположным положениям вращающейся лопасти. При прохождении лопастью нижнего и верхнего положения поступательная скорость по оси г отсутствует, т.е. частицы находятся в относительном покое.

Рис. 7.3. Графики зависимости скорости перемещения частицы за время одного оборота лопасти

Полученная картина распределения скоростей приводит к несколько неожиданному выводу о характере движения частиц в лопастном смесителе. Суммарная траектория движения потока частиц -винтовая, поэтому в любом сечении шнека должно находиться равно-распределенное по кожуху количество материала. Наличие же двух максимумов осевой скорости, соответствующих определенным положениям лопасти, дает основания предположить, что перемещение в этих местах будет более ускоренным. Поэтому следует ожидать, что транспортирование удобрений вдоль оси лопастного шнека будет осуществляться в основном двумя потоками.

По графикам (рис. 7.3) можно оценить влияние параметров на экстремальные значения осевой скорости. Изменение параметра I¡г практически не отражается на форме интегральных кривых. Следовательно, распределение скорости частиц не зависит от момента попадания их на лопасть. Изменение скорости I о вызывает незначительное смещение экстремума функции по времени. При увеличении го от О

до 4 м/с СКОрОСТЬ Z шах колеблется в интервале от 3,5 до 5,5 м/с, поэтому можно сделать вывод, что закономерность распределения скорости не зависит от начальной скорости по оси г. Изменение параметра и с 200 до 350 мин"1, так же как и изменение параметра г с 0,06 до 0,12 м, вызывает линейное возрастание максимальной осевой скорости. Наиболее существенное влияние на скорость г та* оказывает изменение угла установки лопасти а: с его увеличением от 15 до 55° осевая скорость частицы возрастает почти в 3 раза.

7.4. Экспериментальные исследования процесса смешивания минеральных удобрений

Обоснование метода и критериев оценки качества смешивания

Одним из основных вопросов при исследовании процесса смешивания является выбор метода анализа состава проб смеси и критериев оценки качества.

В работах ряда исследователей установлено, что однородность многокомпонентных смесей может быть определена по равномерности распределения одного из компонентов в общем объеме смеси. При этом рассматривается смешивание одного из компонентов (контрольного) с совокупностью всех остальных, т.е. многокомпонентная смесь сводится к двухкомпонентной, что во многом упрощает и облегчает проведение анализа.

Для анализа проб смесей был использован электролитический метод, основанный на различной электропроводности растворов компонентов. Опытным путем было установлено, что этим методом можно оценивать двухкомпонентные смеси, одним из компонентов которых служит суперфосфат.

Качество получаемых тукосмесей оценивалось степенью однородности (Щ:

где V - коэффициент вариации;

т - средняя концентрация хлористого калия (аммиачной, селитры)

в смеси, вычисленная по п пробам; т\ - концентрация хлористого калия в г'-й пробе.

В качестве объектов исследования были использованы сплошной и лопастной шнеки, как наиболее распространенные в конструкциях смесителей непрерывного действия. Изучен процесс тукосмешивания этими рабочими органами и определена транспортирующая способность лопастных шнеков. Исследования проводились с применением методов планирования эксперимента.

Опыты проводились на специальной установке, включающей кузов, состоящий из двух отсеков для разных компонентов удобрений, два спаренных ленточных транспортера, дозирующее устройство и смеситель.

Исследование состояло из трех этапов: определение факторов, влияющих на процесс тукосмешивания, поиск области оптимума и математическое описание установленной области.

Факторы, оказывающие влияние на процесс, устанавливались с помощью метода случайного баланса. Наиболее значимые факторы выделялись из 45 потенциально возможных: девяти линейных и 36 парных взаимодействий.

Линейные факторы и условия их кодирования приведены в табл. 7.1, в которой значения верхних и нижних уровней определены исходя из априорных сведений и конструктивных особенностей опытной установки.

Для проведения экспериментов по схеме случайного баланса была составлена матрица планирования.

Число опытов в работе принято равным шестнадцати из условия получения сверхнасыщенного плана. Линейные факторы разбиты на 3 группы, и для них составлен полный факторный эксперимент (ПФЭ) 21

(7.3)

Эксперимент осуществлялся путем случайного смешивания строк ПФЭ.

Таблица 7.1

Линейные факторы и условия их кодирования

Факторы Верхний уровень (+) Нижний уровень (—)

X] Форма лопатки Лопасть кольцевого сас-тора Прямоугольная

Ха Частота вращения шнека, мин 500 250

Хз Подача удобрений в смеситель, т/ч 40 20 .

Х4 Шаг установки лопастей, мм 225 100

Х5 Состав тукосмеси Гранулированный суперфосфат и хлористый калий Порошковидный суперфосфат и хлористый калий

Хб Влажность суперфосфата, % 16-19 4-7

X? Угол установки лопастей, град. 50 15

Хв Способ загрузки кузова смесителя (хлористым калием) Правый отсек Левый отсек

Х9 Длина смесителя, м 1,5 0,5

Статистический анализ проводился с помощью диаграмм рассеивания шестнадцати результатов опытов по каждому фактору. Значимость факторов, т.е. отличие эффектов от шумового поля, создаваемого ошибками опыгов, проверялась с помощью ^критерия Стью-дента.

В результате проведенной работы было выделено шесть эффектов, влияющих на однородность тукосмеси: Х9 - длина смесителя; Х4 -шаг установки лопастей; Х37 - взаимодействие подачи с углом установки лопасти; Х25 - взаимодействие частоты вращения шнека с составом тукосмеси; Хз - подача удобрений в смеситель; Х57 - взаимодействие угла установки лопасти с составом тукосмеси. Такие переменные факторы, как форма лопасти (Х1), влажность (Хб) и способ загрузки смесителя (X»), в рассматриваемом диапазоне практически не оказывают существенного влияния на процесс.

Поиск области с оптимальными условиями протекания процесса проводился с помощью традиционных однофакторных экспериментов при изучении транспортирующей способности горизонтальных и наклонных шнеков и кинетики процесса тукосмешивания.

Установлено, что лопастные шнеки обеспечивают достаточно высокую степень однородности тукосмеси (до 97 %) и позволяют совместить операции транспортирования и смешивания как в горизонтальном, так и в наклонном положениях рабочего органа при производительности установки 30 - 50 т/ч.

Среди основных факторов, влияющих на процессы транспортирования и смешивания, выделен коэффициент заполнения смесителя у/, что подтверждается графиком на рис. 7.4.

Из графика видно, что степень однородности смеси достигает максимума в диапазоне значений (//=0,4-0,6 при длине смесителя 1,0-2,5 м. Эта закономерность объясняется тем, что при постоянной подаче удобрений в смеситель значениям 0,3>у/ >0,6 соответствуют значения частоты вращения шнека 200>п>450 мин"1. В обоих этих граничных случаях нарушается равномерный рассеивающий сход материала с лопасти: при малой частоте вращения происходит пересыпание материала, при большой - под действием центробежных сил происходит отбрасывание материала к кожуху.

Рис. 7.4. Зависимость качества смешивания и энергоемкости процесса от коэффициента заполнения .

7.5. Исследование кинетики процесса смешивания минеральных удобрений

Графики зависимости степени однородности тукосмеси от длины лопастного шнека для различных компонентов смеси показаны на рис. 7.5. Из графиков следует, что кинетика процесса зависит от физи-

ко-механических свойств компонентов: плотности и размеров частиц и смешиваемых материалов. Характер кривых указывает на наличие в системе одновременно двух процессов: смешивания и разделения.

I

I

I

Рис. 7.5. Кинетика смешивания компонентов с различными физико-механическими свойствами:

& и

42

,—V-

1 к \ ^ к •

V и

0.5

•а а г» Длина смесителя, п

гI а

1,2- компоненты смеси различаются по плотности (хлористый калий - порошковидный суперфосфат с соотношением 1:6 и 1:2,5);

3 - компоненты различаются только по цвету (окрашенная и неокра-

шенная пшеница);

4 - компоненты различаются по плотности и размерам частиц

(гранулированный суперфосфат - хлористый калий)

Опытные кривые были аппроксимированы функцией вида ф^с^-е-*21),

(7.4)

где с, к\, кг - некоторые константы, значения которых определены по трем точкам опытных кривых.

7.6. Оптимизация процесса тукосмешивания лопастными рабочими

органами

Предыдущие этапы исследования позволили экспериментально установить факторы, определяющие процессы смешивания и транспортирования минеральных удобрений лопастным шнеком: к - шаг и а - угол установки лопастей, - подача удобрений в смеситель (производительность установки), у/ - коэффициент заполнения смесителя, Ь - длина смесителя.

В дальнейшем задача заключалась в оптимизации процесса, т.е. в поиске оптимальной комбинации существенно влияющих факторов для достижения наиболее эффективного процесса смешивания.

Диапазоны параметров у= 0,3-0,7, ¿=0,5-1,5 м установлены по данным проведенного эксперимента (см. рис. 7.5 и табл. 7.2). Для выбора диапазона угла установки лопастей ос= 15-55° послужили априорные сведения (см. параграф 7.4). Пределы изменения шага установки лопастей /1=100-200 мм ограничены конструктивными возможностями установки. Подачу удобрений в смеситель £=30-50 т/ч принимаем заданной.

Задача исследований сводилась к описанию установленной области.

Для полной характеристики процесса необходимо знать не только его качественную сторону, но и количественную, в нашем случае -энергоемкость. Поэтому необходимо было одновременно с решением основного вопроса для выбранных диапазонов переменных получить описание поверхности отклика потребной на процесс мощности.

Для описания установленной области с двумя повторностями была реализована схема центрального композиционного ротатабель-ного планирования, состоящая из полуреплики факторного эксперимента 25, звездных точек и шести центральных точек. Число экспериментов - 32. Величина'плеча звездных точек ±а\=2. В табл. 7.2 приведены интервалы варьирования и условия кодирования независимых переменных. По полученным в результате проведенных опытов данным определили модель процесса в виде уравнения регрессии:

к к

У = А + X Ь,Х, + X . (7.5)

1=1

Таблица 7.2

Интервалы варьирования независимых переменных при изучении смешивания минеральных удобрений

Переменные h а Q V L

Размерность мм град. т/ч - м

Условные обозначения X, Х2 Хз Х4 Х5

Основной уровень 150 35 40 0,5 1

Интервал варьирования 25 10 5 0,1 0,25

верхний уровень 175 45 45 0,6 1,25

нижний уровень 125 25 35 0,4 0,75

-а\ 100 15 30 0,3 0,5

+ ОД 200 55 50 0,7 1,5

После расчета коэффициентов регрессии и проверки их значимости по критерию Стьюдента полученные уравнения регрессии имеют следующий вид:

(7.6)

(7.7)

у, = 91,1+0,360х, + 1,342х2 - 0,384х4 + 1,542х5 + 0,570х\ --|0,280х4 - 0,893х] + 0,442х,х2 - 0,522х2х5 - 0,454х4х5; у2 = 1,31 + 0,064*, +0,265х2 +0,187х3 + 0,032л4 +0,051x1 ~ -0,017х* +0,058л,х3 -0,068х2х4 - 0,093.x

к -150 а-35' ()-40

где х, = — ; хг= — ; — ;

_|\г-0,5 , _Ь-1 Х' ~ 0,1 ' ** ~ 0,25

Проверка полученных уравнений с помощью Б-критерия Фишера показала, что для 5 % уровня значимости найденные уравнения адекватны.

Пронализировав полученные уравнения, видно, что в первом уравнении (7.6) такой фактор, как подача удобрений в смеситель (0 оказывает незначительное влияние. Это можно объяснить введением при исследовании переменной величины - коэффициента заполнения смесителя, который и стал в данном диапазоне изменения подачи <2 фактором, определяющим процесс.

Во втором уравнении незначимым оказался такой фактор, как длина участка смешивания (£.). Это подтверждает достоверность составленного уравнения, так как на потребную мощность влияет не параметр Ь, а длина рабочего органа, которая в этих опытах осталась постоянной.

Для изучения поверхностей отклика полученные уравнения регрессии были приведены к канонической форме:

у, - 87,764 = -0,065х2, + 0,686х22 - 0,26х24 - 1,008х2 ; (7.8) у2 + 0,102 = 0,090х22 + 0,001х23 - 0,056х24 . (7.9)

Из анализа уравнений (7.8) и (7.9) следует, что изучаемые поверхности отклика являются поверхностями типа "минимакс" и имеют вид двухполостных гиперболоидов. Условные экстремумы были определены графически с помощью двухмерных сечений. Наибольшая степень однородности тукосмеси обнаруживается при шаге А= 175-200 мм и угле установки а=50-55° лопастей, коэффициенте заполнения у= 0,40,5 и длине ¿=1,0-1,2 м смесителя, наименьшая потребная мощность -

при подаче £>=35-40 т/ч, шаге /г =100-120 мм, угле установки ог= 15-20° и коэффициенте заполнения (/=0,3—0,4. Как видно, оптимальные значения факторов по обоим параметрам различаются. Поэтому была проведена оптимизация процесса е учетом количественного и качественного параметров. Для заданного агротехническими требованиями уровня параметра качества (1УС=90 %) в изучаемом факторном пространстве определялись минимальные значения количественного параметра (потребной мощности). Для этого уравнения (7.6) и (7.7) были решены совместно. В результате проведения 130 мысленных опытов установлено, что при ()=30 - 50 т/ч минимальная мощность расходуется при /г=165мм, а=15°, у=0,3 и /-= 1 м.

Аналогичные исследования были проведены со шнеком, имеющим сплошные витки. В результате оказалось, что при <2=30 - 35 т/ч сплошной шнек не обеспечивает заданной агротребованиями однородности тукосмеси.

7.7. Реализация результатов исследования

В результате проведенных исследований создан автомобильный загрузчик-смеситель минеральных удобрений.

Загрузчик-смеситель предназначен для транспортировки и загрузки семян и минеральных удобрений (порошковидных, гранулированных и кристаллических) в зерновые, туковые и комбинированные сеялки, а также для смешивания в требуемых соотношениях двух или трех видов минеральных удобрений с одновременной загрузкой смеси в туковые сеялки, разбрасыватели и транспортные средства.

Загрузчик-смеситель устанавливается на шасси автомобиля ГАЭ-53А и состоит из следующих основных узлов: рамы с продольными ленточными транспортерами, кузова, шнекового поперечного транспортера, отгружающего смешивающего элеватора, механизма привода. Конструкция загрузчика-смесителя защищена а. с. 447969, 501696, 515488 и 559674.

Технологическая схема загрузчика-смесителя показана на рис. 7.6.

Бункер разделен перегородками на три продольные отсека, что дает возможность загружать три компонента удобрений. В передней части бункера имеются окна с заслонками, обеспечивающие дозирование подаваемых удобрений.

Поперечный шнековый транспортер подает вынесенную продольным транспортером массу на наклонный отгружающий транспортер.

Рис. 7.6. Технологическая схема загрузчика-смесителя: 1 - кузов; 2,3 - правая и левая съемные перегородки; 4, 5, 6 - регулировочные заслонки; 7- рычаги управления заслонками; 8 - продольные ленточные транспортеры; 9 - поперечный шнековый транспортер;

10 - выгрузной шнек-смеситель: 11 - вибратор; 12 - порог

Отгружающий транспортер предназначен для подачи удобрений в бункера сеялок или разбрасывателей. Он выполняет операции отгрузки и смешивания. Транспортер может поворачиваться вокруг вертикальной оси на 180° и изменять наклон на 30°.

Параметры лопастного шнека смесителя: рабочая длина - 1,2 м; диаметр - 0,25 м; шаг лопастей - 0,15 м; угол установки лопастей -15-30°. При коэффициенте заполнения у>=0,4-0,5 смеситель обеспечивает следующие соотношения частоты вращения и производительности:

п, мин 1 2, т/ч

180-210 30-35

240-270 40-45

300-330 50-55

450-500 60-70

Образцы загрузчиков-смесителей ЗАУ-З прошли испытания в хозяйствах Московской и Ростовской областей, Краснодарского края, Украины и на МИС. По результатам приемочных испытаний загрузчик-смеситель ЗАУ-З освоен в массовом производстве.

8. СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СКЛАДСКИХ РАБОТ С СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ ГРУЗАМИ

Для обеспечения комплексной механизации и повышения эффективности погрузочно-разгрузочных на складах, в хранилищах ВИСХОМом совместно с конструкторскими организациями и институтами сельского хозяйства разработан и освоен в производстве ряд новых перспективных машин.

Из-за большого разнообразия существующих зерноскладов уровень механизации погрузочно-разгрузочных операций весьма низкий. Существенно повысить уровень механизации работ на зерноскладах и в хранилищах можно с помощью передвижных пневмотранспортных систем комбинированного типа. Пневмотранспортеры являются универсальными, имеют малые габариты и массу, хорошую маневренность и мобильность, обеспечивают выполнение всех видов работ на складах любого типа.

В 1981-1984 гг. в ВИСХОМе были проведены исследования по обоснованию схем и рабочих органов пневмотранспортеров зерна производительностью до 20 т/ч.

По принципу действия был выбран смешанный тип, представляющий собой комбинацию всасывающего и нагнетательного транспортеров с общим вентилятором-воздуходувкой. Помимо воздуходувной машины с приводом в комплект пневмотранспортера входят питатель, отделитель и трубопроводы.

Исходными данными для расчета параметров пневматических транспортеров являются: вид перемещаемого груза и его аэродинамические и физико-механические свойства (скорость витания, насыпная плотность, гранулометрический состав и др.); требуемая произво-

дительность Q (т/ч); конфигурация и размеры трассы (длина, высота подъема груза, наличие поворотов и разветвлений и др.).

Расчет сводится к определению скорости и расхода воздуха, диаметра трубопровода, сопротивления движению смеси на различных участках трубопровода, потребного напора или давления для их преодоления и мощности воздуходувного агрегата.

Скорость воздуха в пневмотранспортере принимается в зависимости от скорости витания ув перемещаемых грузов: «>(1,1 - 1,2) ув, но чаще скорость и принимается по экспериментальным данным (для ржи и пшеницы и-20-24 м/с).

Расход воздуха определяется из уравнения

,м¥ч, (8.1)

3,6

где <2 - производительность транспортера, т/ч;

/1 - расходная концентрация воздушно-зерновой смеси (для зерна //<15 — 25);

р„ - плотность воздуха {рв—1,24 кг/м3 при /=20°С).

С другой стороны, объем воздуха, перемещаемый в единицу времени, зависит от скорости и и диаметра с1, трубопровода

(2В = ^-и , м3/с. (8.2)

Полученный из уравнения (8.2) диаметр с/, округляется до ближайшего значения из нормального ряда.

Расчет напора. Перепад давления воздуха в трубопроводе равен

рп=рт+рь+ры+рл, кПа, (8.3)

где рг - потери давления в трубопроводе, вызванные силами трения; рь - потери давления на подъем воздуза и груза; ри - потери давления в загрузочном устройстве (рм=20-30 кПа); ра - динамические потери давления, затрачиваемые на сообщение грузу и воздуху кинетической энергии. Составляющие напора рассчитываются с учетом местных сопротивлений (колена, диффузоры, заслонки, клапаны и пр.), приведенной длины трубопровода, потерь в отделителе и др.

При предварительных расчетах пневмотранспортеров зерна типа ТПЗ общий напор можно определить по зависимости:

рп=Я 1(1+К'р,)+(рИ+0Нд)р+[£пр+(1+арЩНд+тд2, (8.4)

где Я - потери давления на единице длины трубопровода (Л =2,7 Па/м);

АГ=0,81 - коэффициент потерь на вертикальный подъем зерносме-си;

а =4- коэффициент местных потерь трубопроводов; £ - длина трассы трубопровода, м; £п5>=1,8 - коэффициент сопротивления питателя; Р =1,58 - коэффициент разгона зерносмеси; Ее- сумма коэффициента местных сопротивлений: Е£=2еК45° +2еК90° +2ер; (здесь еК45° =0,06 - коэффициент сопротивления колена 45°; екдо° =0,091 - коэффициент сопротивления колена 90°; £р=0,2 - коэффициент сопротивления решетки); Яд - динамические потери; т =0,065 - коэффициент потерь отделителя; Н - высота транспортирования, м.

Мощность двигателя воздуходувной машины

кВг> <8-5)

ЗбООп

где К,-1,1- коэффициент запаса;

=1,1—1,15 - коэффициент, учитывающий потери воздуха в трубопроводе из-за некачественных уплотнений и др.; г\-0,65-0,85 - кпд воздуходувной машины.

Расчет питателя. Объем шлюзового питателя определяется

Г = (8.6)

где - производительность транспортера, кг/с;

К3 - коэффициент заполнения барабана питателя; п - частота вращения барабана. При «=18-42 мин-1 для зерна К= 0,7-0,8.

Расчет цикл он ов-разгруж ате л ей. Диаметр циклона определяется из условия уОт=(0,05 - 0,1)УК и равенства объемов воздуха в трубопроводе и отделителе за единицу времени

кВг к с!' -V =-—V

где \Л>т, и - соответственно скорость воздуха в отделителе, витания (критическая) частиц и воздуха в трубопроводе.

Отсюда можно определить диаметр отделителя

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, в том числе на моделях, и оптимизации параметров аэродинамических схем разработаны унифицированные многоступенчатые вентиляторы высокого давления для пневмотранспортеров зерна производительностью 5, 10 и 20 т/ч. Вентиляторы отличаются высокими аэродинамическими показателями (цг=2,56; <р=0,0103; А=0,0458; ?]=0,497). Разработаны основные рабочие органы: питатель, циклон-отделитель, трубопроводы, автоматический регулятор скорости. Все это позволило создать семейство унифицированных пневматических транспортеров зерна ТПЗ-5, ТПЗ-10 и ТПЗ-20. Экспериментальные исследования, проведенные на зерне пшеницы ( II'-14 - 16 %, р=0,76 т/м3,) показали (рис. 8.1), что наибольшая производительность достигается при соотношении всасывающей Ьв и нагнетательной Ь„ магистралей 1:3 при общей протяженности трассы 60 м. На рис. 8.1 также показаны зависимости производительности и удельной энергоемкости от расстояния транспортирования.

Для расчета на ЭВМ параметров пневматических транспортеров и вентиляторов разработаны программы и алгоритмы.

На складах и в хранилищах минеральных удобрений наряду с операциями загрузки и выгрузки необходимо производить растарива-ние, измельчение слежавшихся удобрений и смешивание нескольких компонентов. В комплекс машин и оборудования для подготовки и погрузки минеральных удобрений на складах входят: универсальный ленточный конвейер ПКС-80, растариватель-измельчитель АИР-20 и его модификация.

Ленточный транспортер ПКС-80 имеет ленту с гофрированными бортами, которая обеспечивает подачу минеральных удобрений всех видов под большим углом наклона к горизонту при производительностью свыше 80 т/ч. По транспортеру ПКС-80, оборудованному специальной ходовой частью с откатывающейся осью, удобрения подаются на ббльшую высоту по сравнению с аналогичными машинами старых образцов.

Рис. 8.1. Зависимость производительности от соотношения всасывающей и нагнетательной магистралей {<2=/(Ьа/Ь„) и зависимости производительности и удельной энергоемкости от длины транспортирования: 1 - ТПЗ-5; 2 - ТПЗ-10 и 3 - ТПЗ-20

Наряду с погрузкой и выгрузкой из складов и хранилищ с помощью транспортера ПКС-80 могут осуществляться подача минеральных удобрений в смесители, а также отгрузка их от растарива-теля-измельчителя и тукосмесительной установки в загрузчики, разбрасыватели, транспортные средства или бурты и штабели.

Растариватель-измельчитель АИР-20А предназначен для раста-ривания и измельчения слежавшихся затаренных и незатаренных минеральных удобрений с последующим отделением от мешкотары и загрузки подготовленных удобрений в прицепы-разбрасыватели, загрузчики сеялок и транспортные средства. Производительность до 30 т/ч.

Для работы на прирельсовых складах минеральных удобрений, а также на межхозяйственных пунктах хранения разработаны стационарные тукосмесительные установки УТС-30 и УТМ-30.

С помощью этих установок можно изготовлять тукосмеси из двух, трех и четырех компонентов. Производительность установок свыше 30 т/ч.

9. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ НОВОГО КОМПЛЕКСА ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ МАШИН

Технико-экономический анализ разработанных и испытанных погрузочно-разгрузочных машин показал, что они по своему назначению и технико-экономическим показателям удовлетворяют современным требованиям и находятся на уровне лучших зарубежных образцов.

Так, по данным УкрМИС (протокол № 104-73), базовая модель загрузчика ЗАУ-З загружает одну сеялку за 25 с при производительности 51,1 т/ч, что в 3,7 раза выше, чем производственной машиной АС-2УМ. При выгрузке зерна в бурт максимальная производительность ЗАУ-З 64,9 т/ч. Новый загрузчик загружает 3-сеялочные агрегаты с эшелонированным расположением сеялок за один проход поперек движения сеялок. Сравниваемая машина АС-2УМ должна была произвести маневрирование 6 раз.

В качестве загрузчика-смесителя машина ЗАУ-З обеспечивает равномерность смешивания в пределах 90 - 93 % , при этом производительность повышается в 2,5 раза по сравнению со смесителем-загрузчиком СЗУ-20.

По данным ЦМИС, при загрузке сажалок картофелем производительности загрузчика ЗАК-З 144 т/ч. При такой производительности бункер сажалки СКС-4 (вместимостью 1,5 т) загружался за 45 с. При выгрузке картофеля в приемный бункер картофелесортироваль-ного пункта производительность ЗАК-З составила 219,6 т/ч. Потерь клубней как при загрузке картофелесажалок, так и при выгрузке картофеля в картофелесортировальный пункт не наблюдалось, при этом повреждение клубней не превышало 0,3 %. Затраты времени на загрузку удобрений в баки туковысевающих аппаратов картофелесажалки снижаются на 40 %.

Применение загрузчика ЗАК-З при загрузке сажалок для посадки картофеля позволяет повысить производительность посадочных агрегатов на 9,6 %.

Поданным ЦЧМИС (протокол № 32-17-77), при загрузке вы-садкопосадочных машин авгозагрузчиком ЗАУ-ЗВ производительность повышается на 8,7 % по сравнению с производственным автомобилем-самосвалом САЗ-3502. Повреждение корней маточной свеклы снижается на 32 %. Коэффициент технологической надежности нового загрузчика составил 0,97. Затраты труда снизились на 8,3 %. Следует отметить, что экономическая эффективность ЗАУ-ЗВ рассчитывалась без учета универсальности нового загрузчика, который с помощью сменных кузовов может выполнять следующие работы: загрузка семян и минеральных удобрений в зерновые, туковые и комбинированные сеялки; смешивание двух или трех различных ви-

дов минеральных удобрений; загрузка картофелесажалок семенами и минеральными удобрениями.

По данным Сев.-Кав. МИС (протокол № 24-6-7-79), при применении за! рупнков ЗАУ-ЗЛ и ЗСВУ-З для погрузки минеральных удобрений (аммиачной селитры и калийной соли) в самолеты АН-2, АН-2М, М-15 и вертолеты МИ-2 и Ка-26 производительность составила соответственно 26 и 37 т/ч против 18 т/ч у машины ЗУН-1,5. Время простоя летательных аппаратов под загрузкой во всех вариантах соответствует агротребованиям (от 1,7 до 4,5 мин). Производительность повысилась с 4,6 до 17,9 %, затраты труда снизились на 4,29,8 %, приведенные затраты - на 7,1-15,3 %. Годовой экономический эффект от внедрения загрузчиков ЗСВУ-З и ЗАУ-ЗЛ составил соответственно 488-674 руб. и 213 руб. Следует отметить, что производительность выгрузного устройства шнекового типа ЗАУ-ЗЛ на всех видах минеральных удобрений несколько уступает загрузчику ЗСВУ-З, у которого выгрузное устройство ленточно-скребкового типа. Однако ЗАУ-ЗЛ можно использовать как транспортную машину для перевозки растаренных удобрений, так как выгрузной шнек переводится из рабочего положения в транспортное в течение 20-30 с. Возможно также использование ЗАУ-ЗЛ для засыпки семенного и фуражного зерна в отсеки зерносклада.

В результате создания загрузчика ЗАУ-8 большой грузоподъемности решена задача обслуживания широкозахватных зернотуко-вых сеялок шириной захвата 6 м и 2-3- сеялочных агрегатов шириной захвата до 16-18 м, а также машин для внесения удобрений грузоподъемностью 6-10 т (РУМ-5, РУМ-8, МХА-7) и картофелесажалок КСМ-4, КСМ-6, КСМ-8 с бункерами вместимостью 2,5, 4 и 5 т картофеля соответственно.

Испытания в 1981-1983 гг., проведенные на Целинной, Поволжской МИС, в КубНИИТИМе и ВНИИМОЖе, показали, что производительность загрузчика ЗАУ-8 при разгрузке зерна составляет 52-56 т/ч; производительность по сравнению с ЗАУ-З повысилась в 2,6 раза, затраты труда снизились на 25 %, а эксплуатационные издержки - на 18 %.

Производительность большегрузных загрузчиков минеральных удобрений:

ЗМУ-8: 137,6 т/ч на калийной соли, 154,07 т/ч на суперфосфате;

ПАУ-8: 354,5 т/ч на калийной сойи.

Оба загрузчика могут использоваться для перевозки минеральных удобрений от железнодорожных вагонов или прирельсового склада в глубинные склады.

Комплекс машин для внутрискладских работ, и прежде всего семейство пневмотранспортеров, позволяет автоматизировать процесс

загрузки и разгрузки зернохранилищ, обеспечить полноту и равномерность загрузки отсеков склада, минимальную удельную материалоемкость, улучшить условия труда обслуживающего персонала и снизить затраты труда в 5-6 раз. Так, сменная производительность пневмотранспортера ТПЗ-20 составляет 16,0 т/ч, годовой экономический эффект на одну машину - 781 руб. (в ценах 1984 г.), при его использовании повышается производительность на 77 %, снижаются эксплуатационные издержки на 39 %, а затраты труда на 45 %.

Внедрение разработанных машин в сельское хозяйство с учетом выпуска загрузчиков ЗАУ-З позволяет повысить производительность технологических машин в 1,5-2 раза и снизить затраты труда в

5-7 раз.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате выполненных исследований разработаны теоретические основы расчета и проектирования механизированных процессов погрузки и разгрузки сыпучих сельскохозяйственных грузов; установлена взаимосвязь функционирования загрузчиков и технологических машин; разработаны методы оптимизации параметров и режимов работы погрузочно-разгрузочных машин и различных типов транспортеров; разработано и внедрено в производство 15 наименований машин и оборудования, их суммарный выпуск составил 60 тыс. шт; разработано и испытано более 35 наименований машин и технических средств, большая часть которых вошла в "Систему машин" на 1976- 1980 гг., 1981 - 1985 гг. и 1986-2005 гг.

На основании теоретических и экспериментальных исследований сформулированы общие выводы.

1. Повышение эффективности погрузочно-разгрузочных работ в растениеводстве может быть достигнуто путем создания унифицированного семейства загрузчиков с однотипными универсальными рабочими органами: донным ленточным и поперечным шнековым транспортерами и отгружающим шнековым или скребковым элеватором, обеспечивающими загрузку зерна, корнеклубнеплодов и минеральных удобрений.

Семейство унифицированных загрузчиков включает базовую модель - загрузчик зерна и модификации на базе автомобилей ГАЗ-53А и ЭИЛ-133ГЯ.

2. Пропускная способность (производительность) и грузоподъемность мобильных загрузчиков обусловлена производительностью и нормой высева (внесения) технологических машин. Для обеспечения работы полевых машин без простоя в ожидании заправки семенами или удобрениями пропускная способность загрузчиков должна быть не менее 30-50 т/ч, а грузоподъемность - 3-4 т для выпускаемых и

6-8 т для перспективных технологических машин.

3. На параметры донного ленточного транспортера и кузова загрузчика существенное влияние оказывают высота насыпного материала в кузове, углы внутреннего и внешнего трения сыпучего материала, высота и ширина выпускной щели. В результате исследований определены следующие параметры донного ленточного транспортера: количество лент - 2, ширина ленты - 0,8 м, толщина ленты - 10 мм при числе слоев 8, скорость ленты - 0,5 м/с, высота выпускной щели - 0,070,08 м.

4. Пропускная способность 30-50 т/ч обеспечивается при следующих параметрах поперечного и выгрузного шнеков: диаметр 250 мм, шаг витков 200-225 мм, частота вращения 200-450 мин"1 (меньшие значения относятся к параметрам поперечного транспортера).

Минимальная мощность достигается при коэффициенте заполнения, равном 0,4-0,8. Мощность и коэффициент заполнения зависят от угла наклона шнека к горизонту: с увеличением угла наклона с 0 до 28° при производительности 30, 40 и 50 т/ч потребная мощность возрастает в 2, 3 и 5 раз соответственно.

5. Значительный угол подъема (до 45°) обеспечивается на лен-точно-скребковых выгрузных транспортерах (при производительности 40-50 т/ч). Однако при этом возрастает удельная мощность, особенно при скорости транспортера свыше 3-3,5 м/с. Минимальная удельная мощность расходуется при соотношении ширины скребков к их высоте (В:И), равном 4,5-5,5, и коэффициенте заполнения у/= 0,6-0,8.

6. Разработаны теоретические основы технологии смешивания нескольких компонентов сыпучих материалов с помощью кузова-дозатора и шнекового смесителя. Установлено, что тукосмешивание состоит из двух одновременно' протекающих процессов - смешивания и разделения, подчиняющихся экспоненциальному закону. Обоснована функция, аппроксимирующая кинетику процесса смешивания, и определен метод расчета входящих в нее констант.

7. В результате решения на ЭВМ дифференциальных уравнений перемещения сыпучего материала по лопасти шнека и экспериментальных исследований установлено, что материал вдоль оси шнека движется двумя потоками, соответствующими противоположным положениям вращающей лопасти в горизонтальной плоскости.

Наиболее существенное влияние на значение осевой скорости частиц оказывает угол установки лопасти - с его увеличением от 15 до 55° осевая скорость возрастает почти в 3 раза.

С помощью метода случайного баланса теории планирования эксперимента из 45 потенциально возможных факторов выявлено 5, влияющих на процесс смешивания компонентов: угол и шаг установки

лопастей, подача материала в смеситель, коэффициент заполнения и длина смесителя.

В результате совместного решения полученных уравнений регрессии по двум параметрам оптимизации: количественному (мощность) и качественному (однородность смеси) - определены оптимальные параметры лопастного смесителя, обеспечивающие высокое качество смешивания (92-96 %) при производительности 30-50 т/ч: шаг лопастей - 165 мм, угол установки лопастей - 15°, коэффициент заполнения - 0,3, длина смесителя - 1 м.

Выявлено, что сплошной шнек не обеспечивает необходимого качества смешивания.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания разработаны рабочие органы и загрузчик-смеситель, освоенный в массовом производстве, а новизна его защищена а.с. 447969, 501696, 559674.

8. Для механизации погрузочно-разгрузочных работ с зерном на складах и хранилищах наиболее рационально применять передвижные пневмотранспортеры, представляющие собой комбинацию всасывающей и нагнетательной систем с общим. вентилятором-воздуходувкой.

Экспериментально-теоретические исследования позволили создать семейство унифицированных транспортеров зерна ТПЗ-5, ТПЗ-10 и ТПЗ-20, обеспечивающих наибольшую производительность при соотношении всасывающей и нагнетательной магистралей 1:3 и при общей протяженности трассы до 60 м.

9. Широкие хозяйственные, предварительные и приемочные испытания разработанных погрузочно-разгрузочных машин и оборудования показали, что они по своему назначению и технико-экономическим показателям находятся на уровне лучших зарубежных аналогичных образцов. Применение этих машин в сельском хозяйстве с учетом объема выпуска загрузчиков зерна, минеральных удобрений, картофеля и др. машин позволит повысить производительность технологических машин в 1,5-2 раза, снизить затраты труда до 5-7 раз.

Содержание диссертации отражено в следующих основных печатных работах:

1. Развитие механизации процессов загрузки и смешивания минеральны:; удобрений. Технический прогресс сельскохозяйственных машин: Материалы конф. - М.: ВИСХОМ, 1972. С. 39-43 (соавтор М.Н. Фатеев).

2. 'Вопросы изучения кинетики смешивания минеральных удобрений: Тр. ВИСХОМа. Вып. 70. - М.: ВИСХОМ, 1972. С. 172-177.

3. Планирование эксперимента при исследовании процесса смешивания минеральных удобрений шнеком: Сб. "Методы оптимального проектирования и организации с.-х. процессов и операций",- Ставрополь, 1973. С. 233 - 239.

4. Выбор типа и основных параметров загрузчика смесителя: Сб. "Проблемы индустриализации и применения удобрений и средств защиты растений".- Минск, 1973. С. 80 - 82 (соавтор М.Н. Фатеев).

5. Характер перемещения сыпучих материалов в лопастном шнеке-смесителе: Тр. ВИСХОМа. Вып. 78. - М.: ВИСХОМ, 1974. С. 37-42 (соавтор М.Н. Фатеев).

6. Результаты исследования по созданию унифицированных семейств погрузочных машин// Комплексная механизация транспортных и погрузочных работ в сельском хозяйстве: Тез. докл. II Всесоюзн. науч.-техн. совещания - М.: ВИМ, 1974. С. 89 - 90 (соавтор М.Н- Фатеев).

7. Основы планирования эксперимента в с.-х. машинах. РТМ. -М.: ВИСХОМ, 1974. 116 с. (соавтор М.Н. Фатеев).

8. Исследование процесса смешивания минеральных удобрений лопастным шнеком// Тракторы и сельхозмашины. 1974. № 7. С. 25 - 27 (соавтор М.Н. Фатеев).

9. Исследование рабочих органов семейства загрузчиков семян и удобрений: Тр. ВИСХОМа. Вып. 87. - М.: ВИСХОМ, 1976. С. 82 - 90.

10. Анализ двухкомпонентных смесей минеральных удобрений: Тр. ВИСХОМа. Вып. 87. - М.: ВИСХОМ, 1976. С. 45 - 70.

11. Применение статистических методов планирования эксперимента при изыскании рабочих органов для погрузчиков-смесителей минеральных удобрений: Белградский университет. Междунар. сим-поз. <В-1>- Белград, 1978. С. 1 - 9.

12. Поиск оптимальных условий протекания процесса смешивания минеральных удобрений: Материалы 7-й науч.-техн. конф. молодых ученых. - М.: ВИСХОМ, 1979. С. 3 - 6.

13. К вопросу изучения кинетики процесса смешивания твердых сыпучих материалов: Тр. ВИСХОМа. Вып. 98. - М.: ВИСХОМ, 1981. С. 69 - 72.

14. Современное состояние и перспективы развития приводов с.-х. машин: Сб. "Развитие и совершенствование приводов с.-х. техники". - М.; ВИСХОМ, 1982. С. 3-5.

15. Безмаркерное устройство ориентации широкозахватных агрегатов: Сб. "Автоматизация процессов с.-х. производства, приборы контроля и средства автоматизации. - Минск, 1982. С. 14 - 16 (соавторы И.И. Наконечный и др.)

16. Автоматизация с.-х. машин. Состояние и перспективы: Тр. ВИСХОМа.- М.: ВИСХОМ, 1986. С. 3 - 9 (соавтор А.И. Нелюбов).

17. Межведомственные методические указания по нормированию показателей надежности новой и отремонтированной с.-х. техники: Метод, указания,- М.: ВИМ, 1986. 7 с. (соавторы А.И. Нелюбов, М.А. Галкин).

18. Отраслевая комплексная система обеспечения надежности объекта производства (ОКСОН). РТМ 23.2.99-85 - М.: ВИСХОМ, 1986 (соавторы М.А. Гулин и др.).

19. Повышение безотказности машин путем обеспечения надежности комплектующих изделий// Тракторы и сельхозмашины. 1987. №11. С. 21 - 23 (соавторы Г.И. Автандилян, A.A. Вяткин).

20. Роль энергетики и агрегатирования в повышении технического уровня сельскохозяйственных машин// Роль энергетики и агрегатирования в повышении технического уровня с.-х. машин: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф.-'М.: НПО ВИСХОМ. 1987. С. 3 - 4 (соавтор Н.М. Орлов).

21. Состояние и перспективы развития средств автоматизации для сельхозмашин// Тракторы и сельхозмашины. 1989. № 4 С. 8-9 (соавторы А.И. Викторов, Б.М. Ломакин).

22. Требования к надежности составных частей сельхозмашин// Тракторы и сельхозмашины. 1989. № 9. С. 16 - 17 (соавторы Г.И. Гру-дева, В.П. Свердлов).

23. Перспективы повышения качества с.-х. техники// Техника в сельском хозяйстве. 1991. № 3. С. 17 - 18 (соавтор В.Л. Мушар).

24. Сельскохозяйственные погрузочно-разгрузочные машины непрерывного действия (конструкция, теория и расчет): Монография. - М.: ИНФРА-М, 1996. 240 с.

25. Кузов-дозатор. А. с. 447969, Б. И. № 40, 1974 (соавторы М.Н. Фатеев и др.).

26. Загрузчик минеральных удобрений. А. с. 501696, Б. И. № 5, 1976 (соавторы М.Н. Фатеев и др.).

27. Загрузчик минеральных удобрений. A.c. 515488, Б.И. № 20, 1976 (соавторы М.Н. Фатеев и др.).

28. Загрузчик-смеситель минеральных удобрений. А. с. 559674, Б. И. № 20,1977 (соавторы М.Н. Фатеев и др.).

29. Устройство для измерения дальности до управляемого машинно-тракторного агрегата. А. с. 1279549, Б.И. № 48, 1986 (соавторы А.И. Нелюбов и др.).

30. Стенд для ускоренных имитационных испытаний мобильной с.-х. машины. А. с. 1490544, Б. И. № 24. 1988 (соавторы А.И. Нелюбов и др.).