автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса распределения известьсодержащих материалов центробежным разбрасывателем

На правах рукописи

СЛЕДЧЕНКО Виталий Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗВЕСТЬСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ РАЗБРАСЫВАТЕЛЕМ

Специальность 05.20.01-Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2012

005016400

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация машинно-тракторного парка» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I».

кандидат технических наук, доцент Глазков Виктор Иванович

Скурятин Николай Филиппович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Я.Горина»

Василенко Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений»

Защита диссертации состоится » мая 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 220.010.04 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I».

Автореферат размещен на сайте http://www.vsau.ru

Автореферат разослан « Л-Ч у> апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

И.В. Шатохин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сельскохозяйственные угодья Воронежской области славятся, прежде всего, черноземом. Однако в результате длительного, порой нерационального использования они утрачивают свое естественное плодородие. В связи с сокращением объемов внесения органических удобрений, применением в основном физиологически кислых форм минеральных удобрений, выпадением кислотных дождей и ряда других причин наметилась тенденция увеличения площадей кислых почв, что ведет к уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур.

Основной путь улучшения плодородия кислых почв - известкование, которое кроме нейтрализации кислотности, способствует повышению эффективности минеральных удобрений, улучшает качество гумуса и т.д. При острой нехватке известковых материалов в области растут огромные залежи отходов промышленных производств, которые можно использовать в качестве мелиорантов, в частности, карбонат кальция химического синтеза - отход производства комплексных минеральных удобрений. Помимо нейтрализации кислотности почв, этот материал может служить и удобрением, так как содержит различные питательные вещества.

Использование данного материала одновременно решает две задачи: утилизируются отходы производства, что ведет к улучшению экологической обстановки, и повышается плодородие кислых почв.

Применение карбоната кальция в настоящий момент сдерживается отсутствием теоретических и экспериментальных исследований технологического процесса распределения данного материала, а также отсутствием рекомендаций по рациональному использованию для этого имеющихся в хозяйстве машин.

Целью работы является повышение равномерности распределения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа машин для внесения минеральных удобрений за счет выбора их рациональных параметров.

Объект исследования: технологический процесс внесения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа.

Предмет исследования: закономерности изменения качественных показателей работы и энергопотребления рабочими органами центробежного типа от их конструктивных и режимных параметров.

Методика исследований: аналитические исследования выполнены на основе математического моделирования. Экспериментальные исследования проводили в лабораторно-полевых и производственных условиях с использованием машины для внесения минеральных удобрений с установленными на нее опытными образцами рабочего органа центробежного типа. Результаты экспериментальных исследований обрабатывали статистическими методами с применением ЭВМ.

Научная новизна заключается:

— в разработке математической модели технологического процесса распределения частиц карбоната кальция модернизированным рабочим органом центробежного типа, отличающейся учетом его конструктивных особенностей (угол установки дополнительных лопаток относительно положения основной лопатки) и места подачи на него материала, которая позволяет определить рациональные значения выше названных параметров, обеспечивающих распределение материала, соответствующее агротехническим требова-

ниям;

- в разработке новой конструкции рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего рациональные параметры распределения карбоната кальция с рабочей шириной внесения до 15 м;

- в теоретически установленных и экспериментально подтвержденных закономерностях процесса распределения частиц материала с учетом конструктивных особенностей и режимов работы модернизированных рабочих органов центробежного типа.

Практическая значимость: реализация нового технического решения рабочего органа центробежного типа (патент РФ №2281640) обеспечивает качественные показатели работы в. диапазоне основных доз-внесения карбоната кальция, соответствующие агротехническим требованиям.

Реализация результатов исследований. Работа выполнена согласно плану научно-исследовательских работ Воронежского ГАУ. По результатам исследований разработан, изготовлен и испытан в лабораторно-полевых и производственных условиях опытный образец рабочего органа центробежного типа. Кроме того, полученные результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе, при дипломном проектировании и научно-исследовательской работе студентов.

Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторно-полевых исследований, полученных с использованием измерительной аппаратуры при достаточном количестве повторностей опыта, обработкой опытных данных с использованием методов математической статистики и актом проверки результатов исследований в лабораторно-полевых и производственных условиях.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета (2004-2012 гг.). Опытный образец рабочего органа центробежного типа демонстрировался на выставке «АГРОСЕЗОН-2010. Современная техника и технологии в земледелии и животноводстве».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в их числе 3 - в центральной печати и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников (123 наименования) и приложений. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста и включает 9 таблиц, 25 рисунков. Кроме того, содержит приложения на 25 страницах с 8 таблицами и 16 рисунками.

На защиту выносятся:

- математическая модель технологического процесса распределения частиц карбоната кальция модернизированным рабочим органом центробежного типа, отличающаяся учетом его конструктивных особенностей (угол установки дополнительных лопаток относительно положения основной лопатки) и места подачи на него материала, и позволяющая определить рациональные значения выше названных параметров, обеспечивающих распределение материала, соответствующее агротехническим требованиям;

- конструкция модернизированного рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего рациональные параметры распределения карбоната кальция в диапазоне основных доз внесения;

- закономерности изменения качественных показателей процесса распределения материала, с учетом конструктивных особенностей и режимов работы модернизированных рабочих органов центробежного типа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность темы, сформулированы: цель работы, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ причин увеличения площадей кислых почв и путей их сокращения. Одной из причин низкой эффективности известковых материалов является отсутствие машин и агрегатов целевого назначения для качественного внесения мелиорантов, и другой — заниженные нормы вносимых известковых продуктов, из-за их дороговизны и уменьшения объемов производства в условиях рыночной экономики, а также низкого содержания в них кальция, в частности, в дефекате. Приведена классификация и краткая характеристика известковых материалов. Анализ изучения состояния вопроса показал, что карбонат кальция химического синтеза является дешевым заменителем известковых материалов, запасы которого и ежегодный выход позволяет известковать большую часть кислых почв ЦЧО.

Анализ машин для внесения минеральных удобрений и мелиорантов показал возможность использования для внесения карбоната кальция машин типа РУМ (МВУ). Проведены предварительные полевые опыты по возможности использования машин данного типа для внесения карбоната кальция. В результате полевых опытов установлено, что данные машины нуждаются в модернизации только распределяющего устройства, так как транспортирующее и дозирующее устройства обеспечивают подачу заданного количества материала на рабочие органы.

Вопросами совершенствования конструкций рабочих органов центробежного типа занимались Василенко П.М., Кушилкин Б.А., Хоменко М.С., Черноволов В.А., Якимов Ю.И., Назаров С.И., Забродин В.П., Киров B.C., Карабаницкий А.П. и многие другие исследователи. В работах этих ученых отмечается, что качественные показатели центробежных разбрасывателей во многом определяются конструктивными и режимными параметрами центробежных рабочих органов, а также целым рядом других факторов. Однако выводы различных исследователей о влиянии этих факторов на распределение материала по ширине внесения и о характере этого распределения противоречивы. Анализ работ, посвященных изучению центробежно-дисковых аппаратов и причин, вызывающих низкое качество их работы, показывает, что большая часть исследований посвящена изучению распределения материалов, обладающих выровненным гранулометрическим составом. По этой причине, несмотря на то, что в результате выполненных исследований накоплен большой теоретический и производственный материал, использовать его, применительно к внесению карбоната кальция, можно далеко не всегда. Это вызывает необходимость продолжения исследований в данном направлении.

По результатам проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать математическую модель технологического процесса распределения карбоната кальция рабочим органом центробежного типа, позволяющую обосновать его рациональные конструктивные параметры и техни-

ко-эксплуатационные режимы работы машины для внесения минеральных удобрений.

2. Обосновать принципиальную схему рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего качественное внесение карбоната кальция соответствующее агротехническим требованиям.

3. Выполнить экспериментальную проверку показателей работы машины для внесения минеральных удобрений при работе с предлагаемым устройством на распределении карбоната кальция.

4. Определить экономическую эффективность применения предложенного технического решения.

Во втором разделе «Теоретические исследования технологического процесса работы разбрасывателя центробежного типа» для обоснования параметров рабочего органа центробежного типа предпринята попытка смоделировать технологический процесс распределения частиц карбоната кальция, начиная от подачи материала на рабочий орган центробежного типа и заканчивая распределением его по поверхности почвы.

Первая фаза технологического процесса заключается в сходе частиц материала с подающего транспортера и попадания их на центробежный рабочий орган. Без учета сопротивления воздуха можно определить, что, падая с высоты Н (от верхней поверхности транспортера до верхней кромки лопатки центробежного рабочего органа) (рисунок 1), при подлете к верхней кромке лопатки рабочего органа центробежного типа высотой Ь частица материала обретает вертикальную скорость V]

У1=Л/^Н, (1)

где g —ускорение свободного падения тела, м/с2;

Н — высота от верхней поверхности транспортера до верхней кромки лопатки центробежного рабочего органа, м.

Рисунок 1 - Схема конструкции распределяющего устройства: 1 — транспортер; 2 — скатная доска; 3 — лопатка; 4 — диск; Н — высота от верхней поверхности транспортера до верхней кромки лопатки центробежного рабочего органа, м; Ь - высота лопатки серийного центробежного рабочего органа, м.

Пренебрегая сопротивлением воздуха, определим время Т полета частицы прошедшей непосредственно над верхней кромкой лопатки до поверхности диска из уравнения движения. Получим

-V, +2е-Ь Т =-!—-—---—. (2)

ё,

У серийных машин для внесения минеральных удобрений частота вращения центробежных рабочих органов составляет п = 750...900 мин"1 (угло-

вая скорость вращения со = 78,5...94,2 рад/с). При такой частоте вращения центробежный рабочий орган за время падения частицы от верхней кромки лопатки до поверхности диска повернется на угол ф = 70...84°.

На центробежном рабочем органе серийных машин установлены, в основном, 4 лопатки. Следовательно, частица материала (без учета взаимодействия частиц при движении в потоке) может достичь поверхности диска в свободном полете за 6...20° до подхода следующей лопатки. Данные расчеты показывают, что большинство частиц материала подхватываются лопатками на различной высоте над поверхностью диска. Остальные частицы попадают на поверхность диска и движутся по нему до прихода следующей лопатки.

Вторая фаза технологического процесса работы разбрасывателя характеризуется движением частиц материала по центробежному рабочему органу. Рассмотрим более подробно указанные выше варианты попадания частиц на рабочий орган центробежного типа.

В первом варианте частица подхватывается лопаткой после свободного полета. Рассмотрим схему сил, действующих на эту частицу при движении по лопатке. Для этого введем систему координат ХОУ в плоскости лопатки. При этом ось У совпадает с осью вращения центробежного рабочего органа (рисунок 2).

Обычно, как уже отмечалось ранее, движение частицы материала по поверхности лопатки центробежного рабочего органа рассматривают как движение по прямой, параллельной поверхности диска или почвы (при вертикальной оси вращения центробежного рабочего органа). Однако, анализируя вышесказанное, можно прийти к выводу, что после соприкосновения частицы с поверхностью лопатки ее вертикальное движение не прекращается мгновенно, а уменьшается по мере увеличения силы трения Р-пч, направленной против вектора относительной скорости Уотн. Одновременно с этим, частица обретает горизонтальный вектор скорости Ух по поверхности лопатки за счет центробежной силы шсо2х (рисунок 2). Кроме того, на частицу действует сила тяжести

Таким образом, на частицу распределяемого материала массой т, попавшей на лопатку в точке с координатами [х0, уо] (рисунок 2), будут действовать следующие силы:

1. Сила инерции шх. Здесь х - ускорение частицы при движении вдоль лопатки центробежного рабочего органа, м/с2.

2. Сила тяжести пщ. Эта сила будет создавать вертикальную составляющую вектора относительной скорости частицы.

3. Центробежная сила тсо2г. При смещении лопатки на величину а от радиального направления эту силу можно разложить на две составляющие. Составляющая тсо2гсозу действует в направлении лопатки и создает горизонтальную составляющую вектора относительной скорости частицы. А составляющая тш2шпу действует в перпендикулярном к лопатке направлении и участвует в создании силы трения о лопатку.

4. Сила Кориолиса 2шшх. Здесь х - горизонтальная составляющая вектора относительной скорости частицы вдоль лопатки. Эта сила участвует в создании силы трения о лопатку.

Рисунок 2 -Схема сил, действующих на частицу при движении по лопатке: Хо, уо - координаты попадания частицы на лопатку, м; г - текущий радиус положения частицы, м; а - угол конусности диска, град.; р - угол между центробежной силой и вектором относительной скорости движения частицы по лопатке, град; у - угол между текущим радиусом положения частицы и радиусом параллельным лопатке, град; а - величина смещения лопатки, м.

5. Сила трения о лопатку Рпч.

FTP1 = f • N[ = f • m • ш(2 x - ю • a), (3)

где f — коэффициент трения материала о поверхность лопатки; Ni - нормальная реакция поверхности лопатки, Н; m — масса частицы, кг; х - горизонтальная скорость частицы, м/с.

Силу трения FTpi можно разложить на составляющие Fjip, и Efpl. Тогда получим

t-ix с ■ 2 х —ю-а

FTP1=f-m-co-x- , (4)

V* +У

ftpi = -f • m • to • у • (5)

V* +У

На основе проекций сил в плоскости лопатки (рисунок 2) можно составить систему дифференциальных уравнений движения частицы по поверхности лопатки. Проведя соответствующие преобразования, окончательно получим

1

2 с • ' — X

x =ю • x — i • ш "

,. (6) j, . 2 x-to-a

V* +У

Начальные условия движения частицы после попадания на лопатку: х(0) = х0 ; у (0) = уо ; х (0) = 0; у (0) = V,.

Таким образом, получена задача Коши для нерасщепляемой системы квазилинейных дифференциальных уравнений 2го порядка, которая допускает только численное решение. Для решения данной задачи разработана программа «Траектория» в среде Maple 7, первая часть которой позволяет опре-

делить координаты положения частицы при движении по лопатке х(0 и у(0, величину горизонтальной (У*тн(1)) и вертикальной (\^утн(0) составляющих относительной скорости движения частицы по лопатке в плоскости лопатки с учетом начальных условий.

После движения по лопатке частица материала попадает на диск. После этого траектория движения частицы изменяется, т.к. она начинает двигаться по диску вдоль лопатки. Изменяются и силы, действующие на лопатку. Кроме того, появляется сила трения материала о поверхность диска Бтрг как результат действия двух сил: горизонтальной составляющей центробежной силы тсЛсоБу и силы тяжести ггщ (рисунок 3).

Рисунок 3 — Схема сил, действующих на частицу при движении по диску вдоль лопатки

Для составления дифференциального уравнения движения частицы по диску вдоль лопатки введем дополнительную систему координат ZOYi, ось Z которой проходит по месту соединения лопатки с диском (рисунок 3).

Составляя сумму проекций сил в плоскости лопатки на ось Z и приравнивая ее к произведению массы на ускорение, получим дифференциальное уравнение движения частицы по диску вдоль лопатки. Проведя соответствующие преобразования, окончательно получим

z = го2 • z - cos2 а - f • <a(2z • cos а - а> • a) -

-f(g-cosa +(й2 -z-cosa-sin a)-g-sin a.

Решение данного дифференциального уравнения также осуществляется в численном виде с помощью программы «Траектория» в среде Maple 7, которая позволяет определить координаты положения частицы при движении по диску вдоль лопатки x(t) и y(t), величину горизонтальной ( V0XTH (t)) и вертикальной (V^,(t)) составляющих относительной скорости движения частицы по диску в плоскости лопатки с учетом начальных условий.

Следует отметить, что уравнения (6) и (7) получены для случая, когда лопатка смещена вперед по ходу вращения центробежного рабочего органа. Если лопатка смещена назад относительно направления вращения центробежного рабочего органа, то в уравнениях (6) и (7) перед выражением со-а вместо знака минус необходимо поставить знак плюс (либо смещение «а» в исходных данных взять со знаком минус).

Во втором варианте попадания частиц на рабочий орган центробежно-

го типа, как уже отмечалось выше, частица проходит над лопаткой, продолжает двигаться вертикально вниз и попадает на диск до прихода следующей лопатки. Далее частица движется по поверхности диска до прихода следующей лопатки и присоединяется к потоку частиц, движущихся по диску вдоль лопатки.

Используя решения уравнений (6) и (7), можно определить величину времени I нахождения частицы на центробежном рабочем органе для каждого из вариантов попадания. Подставив полученное значение времени I в функцию относительной скорости, полученную из уравнений (6) или (7), определим значение этой скорости в момент схода частицы с центробежного рабочего органа.

Третья фаза технологического процесса работы разбрасывателя — сход частиц материала с центробежного рабочего органа.

Для определения величины и направления абсолютной скорости вос-

Рисунок 4 — Схема к определению величины и направления абсолютной скорости схода частицы с центробежного рабочего органа: а) в горизонтальной плоскости; б) в плоскости полета частицы XiOYi.

Анализируя рассмотренные ранее варианты движения частицы по центробежному рабочему органу, можно сказать, что, в большинстве случаев, направление относительной скорости схода частицы с лопатки отклонено от горизонтального. Тогда абсолютная скорость схода частицы с центробежного рабочего органа будет равна геометрической сумме векторов вертикальной (V*) и горизонтальной (V*) составляющих абсолютной скорости в плоскости полета частицы (рисунок 4).

Va=A/vax2+V>'2. (8)

Из рисунка 4 видно, что

Vy = Vy Vх = ,/v2 + Vх 2 — 2V2 -Vх • sin S~ Г91

a vOTH> va V OK т уотн л vok voih зшил \yJ

где 5Л - угол установки лопатки, град.

Следовательно, абсолютная скорость слета частицы с центробежного рабочего органа с установленными на нем лопатками, отклоненными от ра-

днального положения, оудет равна

va = V'Vok + K,f - 2V02K • V¿H ■ sin 5Л + V*2. (10)

Направление вектора относительной скорости будет зависеть от места схода частицы с центробежного рабочего органа. Данное место характеризуется координатами [хсх; усх] и углом 5СХ (рисунок 4). Из рисунка 4 видно, что

5сх=тс + 53+5п-ф, (11)

где 53 - угол попадания частицы на лопатку, относительно горизонтальной оси (угол загрузки), град.; 5„ — угол попадания частицы на лопатку, относительно ее радиального положения, град.; <р - угол поворота центробежного рабочего органа за время нахождения на нем частицы материала, град.

5, = arctg—, (12)

хз

где х3, у3 — абсолютные координаты попадания частицы на центробежный рабочий орган (зона загрузки), м.

бп = arctg — - arctg—, (13)

а а

где L - длина лопатки, м.

Тогда абсолютные координаты точки схода частицы

хсх =R-cosöcx, (14)

усх =R-sin5cx, (15)

где R - радиус, описываемый внешней точкой лопатки, м.

R = Vl2 + а2 . (16)

Зная угол схода частицы с центробежного рабочего органа, можно определить направление вектора абсолютной скорости схода частицы с центробежного рабочего органа в горизонтальной плоскости

5„п = 5СХ - arceos V^"vCx0s5" . (17)

"а

Направление вектора абсолютной скорости схода частицы с центробежного рабочего органа в вертикальной плоскости характеризуется углом Xu. Из рисунка 4 видно, что

X0=arctg^. (18)

*а

В четвертой фазе технологического процесса частица массой ш вылетает с центробежного рабочего органа под углом ).а к горизонту с начальной скоростью Vo = Va (рисунок 5). При движении в сопротивляющейся среде (воздушное пространство) на нее действуют две силы: сила веса частицы m-g и сила сопротивления среды R.

Рисунок 5 - Схема к определению дальности полета частицы

Проводя систему координат через начало полета, силы сопротивления воздуха R и скорость полета частицы V в произвольной точке траектории разложим по осям координат на две составляющие. Проектируя силы, действующие на частицу, по оси х и у, приравнивая сумму действующих сил к произведению массы частицы на ускорение, получим систему дифференциальных уравнений полета частицы в стандартном виде. Проведя ее преобразования, окончательно получим

Г *=-kn-vx-7v2 + vy2

1 Г~2-Г- (19)

Во втором выражении системы (19) верхний знак (-) относится к восходящему движению частицы, а нижний знак (+) к нисходящему.

Данная система уравнений не линейна и в таком виде не поддается интегрированию. Решение этих уравнений проводилось численным методом с помощью программы Maple 7, что позволило определить дальность полета частиц сходящих с центробежного рабочего органа. При этом начальные условия имели вид

х(0) = хсх; У(°) = н1+Усх; x(0) = Va-cosX0; y(0) = Va-sinV Используя полученные уравнения и пути их решения, разработана математическая модель процесса распределения частиц материала рабочими органами центробежного типа. Эта модель была реализована в виде компьютерной программы с использованием типовых средств программирования.

Для выявления причин некачественного внесения материала, в разработанную математическую модель внесены значения конструктивных и кинематических параметров серийных центробежных рабочих органов, физико-механические свойства материала, и проведены предварительные теоретические исследования для различных вариантов зоны подачи материала на центробежные рабочие органы.

Анализ предварительных результатов теоретических исследований показал, что частица, которую подхватывает лопатка, двигаясь по ней, либо попадает на диск и сходит с него, либо сходит с лопатки, не касаясь диска (без учета взаимодействия частиц в потоке). Следовательно, на лопатке можно выделить две зоны попадания и траектории движения частиц (рисунок 6):

зона А - частица попадает на диск после движения по лопатке и сходит с него;

зона Б - частица не успевает прекратить вертикальное движение и сходит с лопатки не касаясь диска.

Рисунок 6 — Схема вариантов попадания и траектории движения частиц

При этом часть материала при сходе с лопаток будет иметь вектор абсолютной скорости, направленный вниз от горизонтальной плоскости, что уменьшает дальность полета частиц из данной области лопаток и увеличивает количество вносимого материала вблизи рабочих органов центробежного типа. Все это приводит к неравномерному распределению материала по полю.

Такая физическая картина движения частиц материала была положена в основу поиска возможных решений задачи обеспечения качественной работы центробежного дискового аппарата при внесении карбоната кальция.

Приняты дополнительные ограничения:

- минимальное или нулевое изменение остальных узлов машины для внесения удобрений;

- простота переоборудования машины для внесения удобрений;

- возможность обратного переоборудования машины для внесения минеральных удобрений.

С учетом изложенного были определены следующие направления поиска решения и, основанная на них, конструкция рабочих органов центробежного типа.

1. «Перехватить» и перераспределить материал, сходящий с лопаток из зоны «Б» (рисунок 6).

2. Определить рациональные параметры зоны подачи материала на центробежные рабочие органы для обеспечения качественного его распределения.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» - изложена программа экспериментальных исследований, дано описание объекта исследования, измерительного оборудования и приборов, методики проведения и обработки результатов опытов.

В соответствии с поставленными задачами программой экспериментов было предусмотрено следующее:

1. Провести предварительные экспериментальные исследования по определению работоспособности центробежных рабочих органов при внесении карбоната кальция.

Основные показатели для оценки рабочих органов центробежного типа: равномерность распределения материала, отвечающая агротребованиям, и рабочая ширина внесения при разных секундных подачах материала.

в,05 в») 0,15 0,2 0,25 0,3 (1.35 м

2. Оценить адекватность математической модели процесса распределения данного материала.

3. Определить конструкцию центробежного рабочего органа, обеспечивающую наилучшие качественные показатели распределения данного материала, и провести его агротехническую и энергетическую оценки.

Для проведения исследований по изучению влияния конструктивных параметров распределяющих рабочих органов центробежного типа на характер распределения материала по поверхности поля, был изготовлен комплект быстросъемных модернизированных центробежных рабочих органов, конструкция которых позволяла оперативно менять углы установки дополнительных лопаток (рисунок 7).

Экспериментальные исследования проводили на полях Опытной станции Воронежского ГАУ и на полях Рамонского района, согласно разработанной методике.

Показатели качества работы разбрасывателя определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 28714-2007. Обработку полученных результатов проводили с применением ЭВМ.

л \ а

Рисунок 7 - Опытный образец центробежного рабочего органа, установленный на разбрасывателе.

Рисунок 8 - Измерительная аппаратура, установленная на разбрасывателе.

При проведении энергетической оценки работы разбрасывателя с модернизированными рабочими органами центробежного типа использовали электротензометрирование (рисунок 8).

В четвертом разделе «Результаты исследований и их анализ» представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований.

На начальном этапе исследований, чтобы определить возможность использования существующих рабочих органов центробежного типа при внесении карбоната кальция, было решено провести предварительные эксперименты. С учетом технической возможности кафедры, в качестве объектов предварительных исследований решено использовать серийные центробежные рабочие органы машины для внесения минеральных удобрений типа РУМ (МВУ) и усовершенствованные центробежные рабочие органы данной машины, предложенные ранее исследователями кафедры. Данные варианты центробежных рабочих органов назовем, соответственно, вариант 1, вариант 2 и вариант 3. В 1-м варианте на конусном диске установлены 4 лопатки под углом -3° относительно радиального положения. Во 2-м варианте лопатки серийного центробежного рабочего органа удлинены до радиуса 0,41 м, а на их концах вниз от поверхности диска установлены наставки, высотой, равной высоте лопаток. В 3-м варианте дополнительно на центробежный рабочий

орган как в варианте 2 установлено два ряда лопаток разной длины.

В качестве показателя для оценки качества работы центробежных рабочих органов принята рабочая ширина внесения в зависимости от места подачи при различных секундных подачах карбоната кальция.

Результаты предварительных испытаний представлены на рисунках

9...11.

Вр. м 14 -12 • 10 -8 -6 • 4 -2 -О -

15 20 25 30 35 40 X, град

—в— 4-8,56 ■■ "ч-17,34 -и-ч=25,56

Рисунок 9 - Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от положения делителя (центробежный рабочий орган вариант 1)

В р. м 14 ■ 12 • 10 • 8 ■ 6 ■ 4 • 2 -0 •

15 20 25 30 35 40 *• ГР"Д

4=8,56 кг/с " и " 4-17,34 кг/с = 4=25,56 кг/с

Рисунок 10 - Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от положения делителя (центробежный рабочий орган вариант 2)

Вр, м

14 • 12 •

15 20 25 30 35 40 гРаг<

—®—4=8,56 кг/с - ® -4=17,34 кг/с -й-4=25,56 кг/с

Рисунок 11 — Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от положения делителя (центробежный рабочий орган вариант 3)

Анализ полученных данных показал, что ни один из представленных рабочих органов центробежного типа не может обеспечить указанные в технической характеристике для данной машины параметры распределения.

Это подтвердило целесообразность дальнейших исследований техноло-

\ - '

у*'

гического процесса распределения карбоната кальция центробежным дисковым аппаратом.

Для проверки адекватности разработанной математической модели, исходные данные, полученные в ходе предварительных испытаний серийного рабочего органа центробежного типа, были заложены в разработанную программу «Траектория» расчета технологического процесса работы рабочего органа центробежного типа (конструктивные и технологические параметры центробежного рабочего органа, место подачи материала и его физико-механические свойства). В результате получены теоретические кривые распределения частиц материала.

Как видно из рисунка 12 теоретическая и экспериментальная кривые достаточно близки, в т.ч. схожи по характеру распределения, что свидетельствует об адекватности математической модели и возможности ее применения для проектировочных расчетов.

Хорошая сходимость теоретических и экспериментальных исследований позволила использовать математическую модель и компьютерную программу «Траектория» для моделирования процесса внесения карбоната кальция и определения характера его распределения в зависимости от различных параметров центробежного аппарата, а также физико-механических свойств

разбрасываемого материала.

%

в

3

о -

-12 -10 -в -6 -4 -2 О 2 4 6 8 10 В. м

Рисунок 12 — Сравнение результатов теоретических и экспериментальных

исследований

Анализируя результаты компьютерного моделирования можно сделать вывод, что наиболее существенное влияние на характер распределения частиц оказывают следующие конструктивные и режимные параметры: зона подачи материала на центробежный рабочий орган, длина лопаток на диске и их смещение относительно радиального положения, частота вращения центробежных рабочих органов и конусность дисков.

Однако их изменение, даже в совокупности, не позволяет добиться указанной в техническом описании к серийному разбрасывателю типа РУМ (МВУ) рабочей ширины внесения для пылевидных и слабопылящих материалов, а тем более ее повысить.

Анализируя результаты компьютерного моделирования, а также пред-

положения, сделанные ранее во второй главе данной работы, можно утверждать, что есть еще один фактор, оказывающий большое влияние на качество распределения материала центробежным рабочим органом. Это направление слета частицы с лопатки в вертикальной плоскости. Компьютерные расчеты показали, что частицы, попадающие на лопатку в зоне Б (рисунок 6) практически не обретают горизонтальный вектор скорости и, можно сказать, ссыпаются с центробежного рабочего органа. Этот процесс оказывает негативное влияние на качество распределения материала, а, следовательно, уменьшается рабочая ширина внесения. Для подхвата и перераспределения частиц на серийный центробежный рабочий орган снизу необходимо установить дополнительные лопатки.

С учетом возможности установки на серийные центробежные рабочие органы дополнительных лопаток математическая модель и компьютерная программа ее реализующая были доработаны.

При проведении компьютерного моделирования было замечено, что частицы, сходящие с основных лопаток центробежного рабочего органа вниз, достигают уровня нижней лопатки через 10... 15° угла поворота рабочего органа центробежного типа. Следовательно, для их подхвата и перераспределения дополнительные лопатки необходимо отклонять от основных лопаток на 10... 15° назад по ходу вращения центробежного рабочего органа.

На рисунке 13 представлены теоретические зависимости рабочей ширины внесения от угла наклона створок делителя при различных углах установки дополнительных лопаток.

Вр, м 14 •

12 -

10 -

8

15 20 25 30 35 40 /., град

Рисунок 13 - Теоретическая зависимость рабочей ширины внесения от положения делителя при различных углах установки дополнительных лопаток

Из графиков видно, что наибольшая рабочая ширина внесения получается при ориентировке дополнительных лопаток под углом -15° относительно положения основной лопатки.

С целью проверки результатов теоретических исследований проведены полевые испытания разбрасывателя минеральных удобрений с модернизированными рабочими органами центробежного типа на внесении карбоната кальция.

На первом этапе экспериментальных исследований необходимо было проверить работоспособность предлагаемой конструкции центробежных рабочих органов на внесении карбоната кальция и оценить адекватность разработанной математической модели.

. * V

¿г ^

1 _ - -+15° - - ' 0° ---15°

Помимо этого, в задачу исследований входило определение влияния на качественные показатели распределения материала модернизированными центробежными рабочими органами следующих основных параметров: угла установки дополнительных лопаток; секундной подачи карбоната кальция на рабочие органы центробежного типа; положения делителя потока.

Для реализации первого этапа экспериментальных исследований на разбрасыватель был установлен комплект рабочих органов центробежного типа, изготовленный по патенту РФ №2281640. Все дополнительные лопатки на диске были установлены под углом 15° против вращения по отношению к основным лопаткам. С данным комплектом центробежных рабочих органов проведена серия опытов при различных секундных подачах карбоната кальция.

Результаты исследований представлены на рисунке 14. Однако, в таком виде они малоинформативные. Для более наглядного представления результатов экспериментов, они были обработаны методами математической статистики с использованием разработанной программы «Наложение» и представлены в виде таблицы 1.

Рисунок 14 - Распределение материала по поверхности поля при различных

секундных подачах

Таблица 1 — Сводные результаты экспериментальных исследований

Наименование показателя Секундная-подача материала, кг/с

8,56 17,34 25,56

1. Общая ширина внесения, м 25 24 25

2. Неравномерность на общей ширине внесения, % 50,3 48,4 46,3

3. Рабочая ширина внесения, м 14,5 15 15

4. Неравномерность на рабочей ширине внесения, % 23,7 24,4 24,1

5. Перекрытие смежных проходов, м 10,5 9 10

4. Доза внесения, кг/м2 0,29 0,58 0,85

Данные таблицы показывают, что в диапазоне доз внесения от 0,29 до 0,85 кг/м2 модернизированные рабочие органы центробежного типа обеспечивают рабочую ширину внесения от 14,5 до 15 м при перекрытии смежных проходов 9... 10,5 м. Соответственно будет обеспечиваться производительность на уровне машин серийного производства (РУМ, МВУ), у которых рабочая ширина внесения для пылевидных и слабопылящих материалов (по паспорту) составляет 12... 14 м.

Для проверки сходимости теоретических расчетов и экспериментальных данных на рисунке 15 представлены теоретическая и экспериментальная эпюры распределения. Как видно из рисунка 15 теоретическая и экспериментальная кривые достаточно схожи по характеру распределения, что свидетельствует об адекватности совершенствованной с учетом изменений конструкции центробежного рабочего органа математической модели.

-12 -11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1(1 11 В, м

Рисунок 15 — Сравнение результатов теоретических и экспериментальных

исследований

Второй этап экспериментальных исследований был посвящен определению рациональных параметров зоны подачи карбоната кальция на рабочие органы. Опыты проводились при подачах карбоната кальция на рабочие органы 8,56, 17,34 и 25,56 кг/с (Н=7; 14 и 21 см). Размеры и положение зоны подачи карбоната кальция на рабочие органы меняли, изменяя угол наклона делителя потока путем перестановки его по отверстиям в скатной доске.

Результаты этого этапа исследований представлены на рисунке 16.

Вр, м 15 >4 13 12 11 10 9

15 20 25 30 35 40 X.

м д=8,56 кг/с о 4-17.34 кг/с Л г,-25,5Г, кг/с

Рисунок 16 - Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от положения делителя

________—

.......1 ...........

У

' ж

Из рисунка 16 видно, что во всем диапазоне секундных подач наибольшая рабочая ширина внесения получена при углах установки створок делителя 30...35°. Рациональное положение делителя, выявленное в ходе экспериментальных исследований, подтверждает результаты теоретических исследований.

На следующем этапе экспериментальных исследований определялось влияние угла установки дополнительных лопаток относительно положения основных лопаток на качество распределения материала по поверхности почвы. Опыты проводились при углах установки дополнительных лопаток от -20° до +5° (с интервалом в 5°) во всем интервале выбранных секундных подач материала при установке створок делителя потока на угол 35° как лучший по результатам предыдущего этапа исследований.

Полученные графики распределения были обработаны с помощью разработанной программы «Наложение». Результаты данной обработки представлены на рисунке 17.

Вр. м 15.5 -15 ■ 14.5 ■ 14 ■ 13,5 ■ 13 ■ 12,5 ■ 12 -

-25 -20 -15_-10_-в_0_5 8, град.

« д=»8,56 кг/с ♦ д=1734 кг/с А д=25,5б кг/с ]

Рисунок 17 - Зависимость рабочей ширины внесения от угла установки дополнительных лопаток

Анализ графиков показывает - наибольшие значения рабочей ширины внесения получены при углах установки дополнительных лопаток -10...-15°, что подтверждает результаты теоретических исследований.

При этом рабочая ширина захвата составит 14,5... 15 м, а доза внесения карбоната кальция от 0,29 до 0,85 кг/м2 (в зависимости от подачи материала на центробежный рабочий орган).

На рисунке 18 представлены графики зависимости затрат мощности на привод центробежных рабочих органов от подачи материала. Из рисунка 4.15 видно, что затраты мощности на привод модернизированного центробежного рабочего органа выше затрат мощности на привод серийного центробежного рабочего органа во всем диапазоне секундных подач. Это можно объяснить увеличением массы модернизированного центробежного рабочего органа и увеличением затрат мощности на преодоление сопротивления воздуха дополнительными лопатками.

N3, кВт

■и _________

^.......

-ц серийный модерню ировашшй

О 5 10 15 20 25 Ч. кг/с

Рисунок 18 - Зависимость затрат мощности на привод центробежного рабочего органа от подачи

Более объективную оценку работы центробежных рабочих органов можно сделать не по общим затратам мощности на их привод, а по удельным, то есть по затратам мощности, приходящейся на один метр рабочей ширины захвата. Зависимость удельных затрат мощности на привод центробежных рабочих органов от секундной подачи представлена на рисунке 19.

Из рисунка 19 видно, что удельные затраты мощности на привод модернизированных центробежных рабочих органов ниже, чем у серийных во всем диапазоне секундных подач материала. Это можно объяснить увеличением рабочей ширины внесения карбоната кальция, что ведет к увеличению производительности агрегата, а следовательно и к снижению удельных затрат мощности на технологический процесс.

N. кВт/м

0.3

0,2

0

° серийный я' модернизированный

С(, кг/с

0 5 Ш 15 20 25

Рисунок 19 — Зависимость удельных затрат мощности от подачи

В пятом разделе «Технико-экономическая оценка эффективности применения модернизированных центробежных рабочих органов при распределении карбоната кальция» - представлены результаты расчетов технико-экономических показателей эффективности использования центробежного разбрасывателя. В качестве объекта для сравнения выбрана серийно выпускаемая машина для внесения минеральных удобрений МВУ-5.

Анализ полученных данных показал, что несмотря на несколько более высокие затраты на амортизацию и ремонт, годовой экономический эффект может быть получен за счет экономии затрат на оплату труда и ТСМ путем повышения производительности агрегата. При этом экономия прямых эксплуатационных затрат составит 50765,3 руб. в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Анализ машин для внесения минеральных удобрений « мелиорантов, а также параметров их распределяющих устройств, показал возможность использования для распределения карбоната кальция машин с центробежным дисковым аппаратом типа МВУ (РУМ). Результаты предварительных экспериментальных исследований по распределению карбоната кальция показали, что серийные рабочие органы центробежного типа обеспечивают требуемые дозы внесения от 0,3 до 0,9 кг/м2. Однако рабочая ширина внесения при этом составила от 2 до 11 м при агротехнически допустимой неравномерности внесения.

2. Разработана математическая модель технологического процесса распределения карбоната кальция рабочим органом центробежного типа, позволяющая оценить влияние их конструктивных (положение делителя потока, длина лопатки, смещение лопатки относительно радиального положения и конусность диска) и режимных параметров (частота вращения) на качество распределения материала. Результаты теоретических исследований показали, что варьирование вышеперечисленными параметрами на серийном рабочем органе центробежного типа не позволяет обеспечить рабочую ширину внесения, указанную в технической характеристике серийной машины.

3. С помощью математической модели обоснована необходимость применения дополнительных лопаток и предложена принципиальная схема центробежного рабочего органа (патент на изобретение РФ №2281640).

4. С учетом особенностей разработанной конструкции центробежного рабочего органа уточнена математическая модель, позволившая определить такие параметры как угол установки дополнительных лопаток и положение делителя потока. Исходя из полученных данных определено, что наибольшая теоретическая рабочая ширина внесения обеспечивается при угле установки дополнительных лопаток -15° и угле установки делителя потока 35°.

5. Экспериментальные исследования машинь! для внесения минеральных удобрений с усовершенствованными рабочими органами центробежного типа на внесении карбоната кальция показали, что при подаче материала в пределах 8,56...25,56 кг/с обеспечиваются дозы внесения от 0,29 до 0,85 кг/м2, при рабочей ширине внесения 14,5... 15 м, неравномерности распределения 23,7...24,4% и перекрытии смежных проходов 9...10,5 м. При этом угол установки дополнительных лопаток должен быть -10...-15°, а подвижные стенки делителя потока должны быть установлены с углом наклона 30...35°.

6. Энергетическая оценка работы машины для внесения минеральных удобрений на внесении карбоната кальция показала, что затраты мощности при работе с модернизированными центробежными рабочими органами выше, чем при работе с серийными центробежными рабочими органами во всем

диапазоне секундных подач материала. Однако из-за увеличения рабочей ширины внесения удельные затраты мощности оказываются меньше и составляют 0,17...0,30 кВт/м.

7. Годовой экономический эффект на один переоборудованный разбрасыватель МВУ-5 при средних дозах внесения карбоната кальция составит 50,8 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Глазков В.И. Анализ движения частиц удобрений по лопаткам центробежного рабочего органа / В.И. Глазков, В.А. Следченко, В.П. Шацкий // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2010. -№10. - С. 26-27.

2. Глазков В.И. Центробежный рабочий орган доя внесения карбоната кальция / В.И. Глазков, В.А. Следченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2008. -№10. -С. 15-16.

3. Глазков В. Удобрения ложатся в почву равномерно / В. Глазков, В. Следченко // Сельский механизатор. — 2008. — №3. — С. 15.

Изобретения и полезные модели

4. Пат. №2281640 РФ, МПК7 А 01 С 17/00. Рабочий орган центробежного разбрасывателя удобрений / Дьячков А.П., Глазков В.И., Следченко В.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ВГАУ им. К.Д. Глинки.-№2005108106/12; заявл. 22.03.05; опубл. 20.08.06, Бюл. №23. - 8 с.:ил.

Статьи в сборниках научных трудов и отраслевых журналах

5. Следченко В.А. Использование и возможности механизации внесения карбоната кальция промышленного синтеза / В.А. Следченко // Повышение эффективности использования, надежности и ремонта сельскохозяйственных машин: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр. ун-т. им. К.Д. Глинки. - Воронеж, 2005. - С. 45-47.

6. Глазков В.И. Центробежные разбрасыватели минеральных удобрений на внесении карбоната кальция промышленного синтеза / В.И. Глазков, В.И. Следченко // Повышение эффективности использования, надежности и ремонта сельскохозяйственных машин: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр. ун-т. им. К. Д. Глинки. - Воронеж, 2005. - С. 88-90.

7. Производственная проверка рабочих органов центробежного типа на внесении известковых материалов / А.П. Дьячков [и др.] // Повышение эффективности использования, надежности и ремонта сельскохозяйственных машин: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр. ун-т. им. К.Д. Глинки. - Воронеж, 2005.-С. 29-32.

8. Глазков В.И. Теоретические предпосылки создания рабочего органа центробежного типа для внесения известковых материалов / В.И. Глазков, В.А". Следченко, С.Т. Перегудов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: Сб. науч. тр. /Воронежская гос. лесотехническая академия. - Воронеж, 2006. -Вып. 1.-С. 149-153.

9. Глазков В.И. Новый рабочий орган на внесении мелиорантов / В.И. Глазков, В.А. Следченко // Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр. ун-т. им. К.Д. Глинки. - Воронеж, 2008. - Ч. 1. - С. 173-175.

Подписано в печать 23.04.2012 г. Формат бОхвО'Лб. Бумага кн.-журн.

Усл. п.л. 1,0. Гарнитура Тайме. Тираж 100 экз. Заказ № 6062. Типография ФГБОУ ВПО ВГАУ 394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1

61 12-5/3246

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. ИМПЕРАТОРА ПЕТРА I»

На правах рукописи

Следченко Виталий Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗВЕСТЬСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ РАЗБРАСЫВАТЕЛЕМ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент В.И. Глазков

Воронеж - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8

1.1. Кислотность почв в ЦЧР и борьба с ней 8

1.2. Классификация и краткая характеристика известковых материалов 11

1.3. Использование серийных машин для внесения карбоната кальция 15

1.4. Обзор и анализ распределяющих устройств машин для внесения минеральных удобрений и мелиорантов 18

1.5. Постановка вопроса и задачи исследования 28

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ РАЗБРАСЫВАТЕЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО

ТИПА 32

2.1. Математическое моделирование процесса распределения частиц карбоната кальция рабочим органом центробежного типа 32

2.2. Обоснование принципиальной схемы рабочего органа 48

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 51

3.1. Программа исследований 51

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований 53

3.2.1. Общие вопросы методики экспериментов 53

3.2.2. Методика определения физико-механических свойств карбоната кальция 57

3.2.3. Определение качественных показателей работы 59

3.2.4. Методика эксперимента по энергооценке 61

3.3. Методика обработки результатов эксперимента 6 5

3.3.1. Определение неравномерности внесения карбоната кальция 65

3.3.2. Обработка результатов энергетических испытаний 67

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ 69

4.1. Результаты предварительных экспериментальных исследований 69

4.2. Результаты теоретических исследований по обоснованию конструктивных параметров рабочих органов центробежного типа 73

4.3. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров

рабочих органов на качество распределения карбоната кальция 83 4.4. Результаты энергетических экспериментов и их анализ 91

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПРИ РАСПРЕДЕЛЕНИИ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ 94

5.1. Общие положения методики расчета экономической эффективности 94

5.2. Расчет экономической эффективности предложенного технического решения 97

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 102

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 104

ПРИЛОЖЕНИЯ П8

ВВЕДЕНИЕ

Сельскохозяйственные угодья Воронежской области славятся, прежде всего, черноземом. Однако в результате длительного, порой нерационального использования они утрачивают свое естественное плодородие. В связи с сокращением объемов внесения органических удобрений, применением в основном физиологически кислых форм минеральных удобрений, выпадением кислотных дождей и ряда других причин наметилась тенденция увеличения площадей кислых почв, что ведет к уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур. По данным агрохимической службы в ЦЧР свыше 5 млн. га кислых почв, в том числе в Воронежской области - более 800 тыс.га [103].

Основной путь улучшения плодородия кислых почв - известкование, которое кроме нейтрализации кислотности, способствует повышению эффективности минеральных удобрений, улучшает качество гумуса и т.д. При острой нехватке известковых материалов в области растут огромные залежи отходов промышленных производств, которые можно использовать в качестве мелиорантов, в частности, карбонат кальция химического синтеза - отход производства комплексных минеральных удобрений. Помимо нейтрализации кислотности почв, этот материал может служить и удобрением, так как содержит различные питательные вещества [103].

Использование данного материала одновременно решает две задачи: утилизируются отходы производства, что ведет к улучшению экологической обстановки, и повышается плодородие кислых почв.

Применение карбоната кальция в настоящий момент сдерживается отсутствием теоретических и экспериментальных исследований технологического процесса распределения данного материала, а также отсутствием рекомендаций по рациональному использованию для этого имеющихся в хозяйстве машин.

Целью работы является повышение равномерности распределения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа машин для внесения минеральных удобрений за счет выбора их рациональных параметров.

Объект исследования: технологический процесс внесения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа.

Предмет исследования: закономерности изменения качественных показателей работы и энергопотребления рабочими органами центробежного типа от их конструктивных и режимных параметров.

Методика исследований: аналитические исследования выполнены на основе математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторно-полевых и производственных условиях с использованием серийной машины для внесения минеральных удобрений с установленными на нее опытными образцами рабочего органа центробежного типа. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались статистическими методами с применением ЭВМ.

Научная новизна заключается:

- в разработке математической модели технологического процесса распределения частиц материала модернизированным рабочим органом центробежного типа, отличающейся учетом его конструктивных особенностей (угол установки дополнительных лопаток относительно положения основной лопатки) и места подачи на него материала, которая позволяет определить рациональные значения выше названных параметров, обеспечивающих распределение материала, соответствующее агротехническим требованиям;

- в разработке новой конструкции рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего рациональные параметры распределения карбоната кальция с рабочей шириной внесения до 15 м;

- в теоретически установленных и экспериментально подтвержденных закономерностях процесса распределения частиц материала с учетом конструктивных особенностей и режимов работы модернизированных рабочих органов центробежного типа.

Практическая значимость: реализация нового технического решения рабочего органа центробежного типа (патент РФ №2281640) обеспечивает качественные показатели работы в диапазоне основных доз внесения карбоната кальция, соответствующие агротехническим требованиям.

Реализация результатов исследований. Работа выполнена согласно плану научно-исследовательских работ Воронежского ГАУ. По результатам исследований разработан, изготовлен и испытан в лабораторно-полевых и производственных условиях опытный образец рабочего органа центробежного типа. Кроме того, полученные результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе, при дипломном проектировании и научно-исследовательской работе студентов.

Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторно-полевых исследований, полученных с использованием измерительной аппаратуры при достаточном количестве повторностей опыта, обработкой опытных данных с использованием методов математической статистики и актом проверки результатов исследований в лабораторно-полевых и производственных условиях.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета (2004-2012 гг.). Опытный образец рабочего органа центробежного типа демонстрировался на выставке «АГРОСЕЗОН-2010. Современная техника и технологии в земледелии и животноводстве».

На защиту выносятся:

- математическая модель технологического процесса распределения частиц материала модернизированным рабочим органом центробежного типа, отличающаяся учетом его конструктивных особенностей (угол установки дополнительных лопаток относительно положения основной лопатки) и места подачи на него материала, и позволяющая определить рациональные зна-

чения выше названных параметров, обеспечивающих распределение материала, соответствующее агротехническим требованиям;

- конструкция модернизированного рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего рациональные параметры распределения карбоната кальция в диапазоне основных доз внесения;

- закономерности изменения качественных показателей процесса распределения материала, с учетом конструктивных особенностей и режимов работы модернизированных рабочих органов центробежного типа.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в их числе 3 - в центральной печати и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников (123 наименования) и приложений. Диссертационная работа изложена на 117 страницах машинописного текста и включает 9 таблиц, 25 рисунков. Кроме того, содержит приложения на 25 страницах с 8 таблицами и 16 рисунками.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Кислотность почв в ЦЧР и борьба с ней

Ценность земли как основного средства сельскохозяйственного производства определяется ее плодородием - способностью почвы удовлетворять потребность растений в элементах питания, влаге и воздухе, а также обеспечивать условия для их нормальной жизнедеятельности. Повышение плодородия земель - одна из актуальнейших задач роста эффективности и качества в сельском хозяйстве на современном этапе. Многие сельскохозяйственные растения требовательны к условиям произрастания, чувствительны к кислой реакции среды. Одна из основных причин снижения урожайности на кислых почвах - снижение поступления в растения катионов кальция, магния, калия и др. [104].

Кальций является одним из необходимых элементов жизнедеятельности растений. При его отсутствии в питательном растворе останавливается рост растения и оно может погибнуть.

Для каждого растения или их группы существует оптимальный интервал реакции почвенной среды, отклонение от которого в ту или иную сторону отрицательно сказывается на их развитии. Однако, большинство сельскохозяйственных растений дают наиболее высокие урожаи при полной нейтрализации кислотности почвы и доведении рН в солевой вытяжке близкой к нейтральной (около 7,0) и степени насыщенности основаниями до 92 - 95% [104].

По степени кислотности почвы принято делить на шесть групп (таблица 1.1) [55].

Кислые почвы имеют неблагоприятные физические свойства. При нормальном увлажнении (50 - 60 % от полной полевой влагоемкости) тяговое усилие почвообрабатывающих орудий на известкованных почвах на 10 - 15% меньше, чем на кислых. Известкование улучшает физические свойства почв

Таблица 1.1— Группировка почв по степени кислотности и их нуждаемости в известковании

Группа Величина pH в солевой вытяжке (KCl) Степень кислотности Нуждаемость в известковании

I <4,0 Очень сильнокислая Сильно нуждаются

II 4,1-4,5 Сильнокислая Нуждаются

III 4,6-5,0 Среднекислая Нуждаются

IV 5,1-5,5 Слабокислая Нуждаются

V 5,6-6,0 Близкая к нейтральной Нуждаются

VI 6,1-7,0 Нейтральная Не нуждаются

особенно тяжелого механического состава [24].

Важным показателем, определяющим плодородие почвы, является содержание гумуса. Результаты исследований [102] показали, что кальций понижает растворимость органического вещества почвы и длительное время предохраняет его от вымывания из корнеобитаемого слоя. В настоящее время в Воронежской области насчитывают 354,6 тыс. га пашни с низким содержанием гумуса [28].

Интенсификация земледелия связана, прежде всего, с возрастанием доз удобрений, из которых большая часть - физиологически кислые азотные. При внесении аммиачных форм азотных удобрений растворимость почвенных карбонатов резко возрастает. Освободившийся при этом кальций мигрирует вплоть до грунтовых вод. Однако в большей мере обеднение почвы кальцием обусловлено выносом его как питательного элемента растениями. Особенно большое количество этого элемента идет на формирование урожая кормовых культур и овощей.

Повышенная кислотность присуща для Нечерноземной зоны, а также дерново-подзолистых, серых лесных почв различных регионов страны. Однако выпадение кислых осадков и возрастающее применение минеральных

удобрений даже на черноземах привело к существенному росту кислотности и в районах Центрально-Черноземной зоны. В Российской Федерации доля пашни с повышенной кислотностью, требующей мелиоративного известкования с целью создания оптимальной реакции среды, по данным агрохимического обследования на 1 января 2003 года составляет 31,4%. Около 21,7% пашни с близкой к нейтральной реакцией среды требуют поддерживающего известкования. Только в Воронежской области, по данным агрохимической службы (ГЦАС) на 1 января 2004 года, площадь кислых почв составляет 674,8 тыс. га или 26,2% площади пашни [28]. Низкое естественное плодородие кислых почв приводит к ежегодным недоборам урожая 20 - 25 млн. тонн сельскохозяйственной продукции (в пересчете на зерно).

Основной путь сокращения площадей кислых почв - внесение материала, содержащего кальций. Известкование, кроме снижения кислотности почвы, доводит до безвредного уровня содержание подвижных форм марганца, закисного железа, алюминия, повышает доступность питательных веществ почвы и удобрений [81].

Известковые материалы положительно влияют на развитие полезных микроорганизмов [54]. Это способствует накоплению в почве подвижных соединений азота, фосфора и кальция, повышает эффективность внесенных минеральных удобрений, что в конечном итоге оказывает положительное воздействие на плодородие почвы [76].

Несмотря на увеличившиеся в последнее время мероприятия по устранению избыточной кислотности путем известкования, площади кислых почв уменьшаются очень медленно. Одной из причин низкой эффективности известковых материалов является отсутствие машин и агрегатов целевого назначения для их качественного внесения, и другой - заниженные нормы внесения, из-за их дороговизны и уменьшения объемов производства в условиях рыночной экономики, а также низкого содержания в них кальция, в частности, в дефекате. Это обстоятельство заставляет искать дополнительные источники для обогащения почвы кальцием.

1.2. Классификация и краткая характеристика известковых материалов

Действие известковых материалов на агрохимические свойства почвы и урожай сельскохозяйственных растений определяется их химическим и гранулометрическим составом. Пригодность материала для применения его в качестве известкового материала зависит от его химических, физических и технологических свойств, а также от твердости и плотности размалываемой породы.

Известковые материалы, используемые в настоящее время, подразделяются на три группы:

- промышленные известковые материалы;

- местные известковые материалы;

- известковые отходы промышленности.

Промышленные известковые материалы специально изготавливаются на промышленных предприятиях из пород с высоким содержанием углекислого кальция и магния. По содержанию СаСОз и ]У^СОз эти породы подразделяются на известняки (известковая мука) и доломиты (доломитовая мука). Кроме СаСОз и М^СОз природные материалы содержат примесь песка и глины, из-за наличия которых снижается их ценность как сырья для производства известковых материалов. Эффективность промышленных известковых материалов во многом зависит от их гранулометрического состава. Наиболее активной частью данных материалов являются фракции 0,25 - 1 мм, а частицы крупнее 1 мм действуют в почве медленно и очень слабо уменьшают ее кислотность. Данные известковые материалы относятся к пылевидным мелиорантам. Они имеют высокую летучесть, содержат не более 2% влаги и при увлажнении быстро цементируются с образованием прочных комков, что затрудняет их хранение и применение. К тому же применение промышленных известковых материалов в современных условиях сдерживается недостатком финансовых средств для их приобретения. Обычно в качестве извест-

кового материала применяют известь. Однако из-за ее дороговизны и отсутствия финансовых средств мелиорация почв практически не проводится. Применение неполных доз извести способствует преимущественно переходу кислотности почв из одной градации в другую (менее кислую), но не способствует полной ее нейтрализации. Кроме того, из-за непродолжительности действия малых доз извести возникает потребность повторного проведения известкования почвы через 4-5 лет [103