автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология и технические средства заготовки кормов в крупногабаритных тюках

И пет иту ! комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства ("ВНИИКОМЖ")

На правах рукописи

ШПИЛЬКО Анатолий Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАГОТОВКИ КОРМОВ В КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТЮКАХ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н.И.Верещагин

доктор технических наук, профессор В.М.Кряжнов

доктор технических наук, профессор А.А.Артюшин

Ведущее предприятие: Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства.

Защита состоится _1998 года в 13 часов на заседа-

нии диссертационного советаД 120.12.02 Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина по адресу: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, д. 58

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного /;• / I ^

совета, канд. техн. наук, доцент пг ' А-ГЛевшин

с У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Кормопроизводство является одной из важнейших отраслей агропромышленного комплекса РФ, темпы и научно-технический уровень развития которой во многом определяют решение продовольственной проблемы страны. Однако сложная экономическая ситуация в стране и связанное с этим ухудшение материально-технического обеспечения сельского хозяйства привели к негативным процессам в развитии кормопроизводства. После 1990 года начался резкий спад продуктивности кормовых культур, посевных площадей и производства грубых и сочных кормов. Так, производство сена в 1996 г. по отношению к 1990 г. составило 52%, соломы 60%, сенажа - 55%.

Из-за недостатка растительных кормов, несбалансированности рационов, потенциальная продуктивность животных используется на 40-50%.

Одной из причин резкого сокращения производства кормов является острый недостаток в хозяйствах современной кормоуборочной техники. Поэтому разработка новых технологий и создание высокоэффективных машин для заготовки грубых кормов является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Целью исследований является повышение эффективности заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках.

Объекты исследования: технологии заготовки грубых кормов для различных условий, модели прессования сено-соломистых материалов, лабораторные установки, опытные и производственные образцы валкооборачива-теля и пресс-подборщика для заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках.

Методы исследования. Процессы образования, оборачивания и подбора валков рассматривали с применением методов теоретической механики, аналитической и дифференциальной геометрии, математического моделирования. Процессы прессования кормов обосновывали с использованием реологических свойств упруго-вязких материалов. Экспериментальные исследования проводили с использованием математических и физических моделей с применением теории планирования эксперимента, тензометрии, скоростной киносъемки. Обработку данных испытаний проводили с применением теории вероятностей и математической статистики. Научную новизну составляют: безразрывный поток оборачивания грубого корма и динамические релаксации напряжений растительных материалов при их формировании в крупногабаритные тюки.

Научную ценность представляют математические модели образования и оборачивания валка грубого корма, а также установление функциональной связи между давлением прессования, скоростью, плотностью и влажностью материала.

Практическую ценность составляют разработанные технологии, методики технологического расчета шнекового валкооборачивателя, и выбора пара-

метров пресс-подборщика крупногабаритных, тюков, методы оценки эффективности кормоуборочной техники.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований использованы НИИ кормов при составлении агротехнических требований на валко-оборачиватель прицепной (шифр СМ Р 41.02). Параметры и режимы работы шнека реализованы в конструкции навесного шнекового валкооборачи-вателя на шасси косилки-плющилки КПС-5Г, разработанного ГСКБ Люберецкого завода им. Ухтомского. Валкооборачиватель рекомендован к производству (шифр по СМ Р 41.01.01). Фрунзенским конструкторско-технологическим институтом по кормоуборочным машинам разработан и изготовлен образец прицепного шнекового валкооборачивателя, который успешно прошел испытания.

Пресс-подборщик крупногабаритных тюков ПКТ-Ф-2,0 по результатам приемочных испытаний на Киргизской, Казахской и Владимирской МИС рекомендован к постановке на производство.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточно высокой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (максимальная ошибка между расчетными и экспериментальными величинами не превышала 5-10%), положительными результатами государственных и хозяйственных испытаний новых машин. Апробация работы. Основные положения, результаты исследования и разработок обсуждены н одобрены на объединенном заседании секций НТС МСХ СССР, Минживмаша н Госкомсельхозтехники СССР (г.Гомель, 1979г.), на НТС Госкомсельхозтехники СССР (г.Москва, 1982г.), на НТС Владимирской МИС (г. Покров, 1983, 1987г.), на секции НТС ВНИИ-КОМЖ (г. Москва, 1983г.), на секции НТС ВИСХОМ (г. Москва, 1983г.), на НТС Киргизской МИС (1987г.), Казахской МИС (1987г.), на НТС Минсельхозпрода РФ (г. Москва, 1995г.), на научно-практической конференции ВИМа (1997г.), на научно-практической конференции МГАУ (1998г.). Публикации: По проблеме работы опубликовано 15 основных печатных работ, в том числе 4 монографии, общим объемом 45,7 п.л. и 1 а.с. Объем публикаций лично автора по рассматриваемой проблеме более 27 п.л.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние проблемы и задачи исследования

Основным видом грубого корма в зимних рационах скота является сено - корм, полученный в результате обезвоживания трав воздушно-солнечной сушкой до влажности 16%-18%.

Технологические операции заготовки сена можно разделить на две части: первая охватывает операции по скашиванию трав, плющению, ворошению и формированию валков, вторая - операции по подбору сена из валков, транспортировке и укладке его на хранение. Последняя в зависимости от технологии предусматривает заготовку рассыпного сена, измельченного и в прессованном виде.

Недостаток технологии заготовки рассыпного сена заключается в многочисленных промежуточных операциях от копнения до доставки сена к фермам, при которых происходят потери листьев и соцветий. Из-за больших затрат ручного труда эта технология за рубежом не применяется и находит ограниченное применение в РФ.

Резко сокращаются потери питательных веществ, при подборе валков подборщиками - полуприцепами. Эти агрегаты осуществляют подбор массы из валков, загрузку ее в кузов с подпрессовкой и транспортировку к местам хранения или скармливания. Проведенные испытания показали, что сравнение этой технологии с коленной потери питательных веществ уменьшаются в 2,5-3 раза; затраты труда на заготовку тонны сена снижаются в 2,0-2,5 раза. Однако технология заготовки грубых кормов подборщиками-полуприцепами эффективна [1, 9] при небольших расстояниях транспортировки (3-5 км).

Наибольшее распространение в мировой практике и в России в настоящее время получили технологии заготовки сена в прессованном виде. По этим технологиям масса из валков подбирается пресс-подборщиками, прессуется в тюки или в рулоны, которые загружаются в транспортные средства, перевозятся к месту хранения и укладываются в скирды. Недостатком технологии прессования в рулоны является то, что досушка сена в рулонах затруднена, поэтому рулоны приходится прессовать при пониженной влажности, что приводит к некоторому увеличению потерь сена.

В последнее десятилетие в мировой практике [9, 14] широкое распространение получает технология заготовки грубых кормов в прямоугольных тюках массой 300-500 кг.

Предварительный технико-экономический анализ показал, что наименьшие трудозатраты при заготовке сена в прессованном виде получаются при уборке его крупногабаритными пресс-подборщиками. Прессование сена в крупные прямоугольные тюки плотностью до 120 кг/м3 дает возможность заготавливать сено повышенной влажности (до 35%) с последующей досушкой его активным вентилированием [2, 3].

Технология заготовки сена и соломы в крупногабаритных тюках применяется в сельском хозяйстве США, Канады, Западной Европы. Выпуском пресс-подборщиков для такой технологии заняты такие известные фирмы как "Нью-Холланд", "Массей-Ферпосон", "Джон Дир", "Клаас". "Фортшрит", "Кроне" и др. [10].

Эффективность технологии заготовки кормов в крупных прямоугольных . тюках обеспечивается высокой производительностью пресс-подборщика, пропускная способность которого 10-15 кг/с. Такой пропускной способности можно достичь за счет увеличения массы подбираемого валка.

Получение кормов высокого качества зависит от равномерной влажности подбираемой массы. Для равномерной и интенсивной сушки массы в валке его необходимо оборачивать с одновременным вспушиванием, при этом следует обеспечить максимальную сохранность листьев и соцветий.

Анализ машин и устройств для оборачивания и совмещения валков показал [4], что наиболее эффективным является шнековый валкооборачи-ватель, который также может производить совмещение двух-трех валков.

Из сказанного следует, что операции совмещения и оборачивания валков являются обязательными в технологии заготовки грубых кормов в крупных прямоугольных тюках, что повышает производительность пресс-подборщика, сокращает длительность и обеспечивает равномерность сушки трав, снизив тем самым потери питательных веществ. На рис. 1 представлена структурная схема реализации технологий заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках.

В соответствии с изложенным, научная проблема сформулирована как разработка ресурсосберегающей технологии и машин для заготовки грубых кормов в крупных прямоугольных тюках.

В рамках этой проблемы совокупность выполненных работ состояла из решения следующих задач исследования:

- обосновать технологию и агротехнические требования уборки грубых кормов в крупногабаритных тюках с оборачиванием и совмещением валков; • .

- определить оптимальные соотношения геометрических и кинематических параметров шнека валкооборачивателя;

- определить параметры валков, образованных шнековым валкообразова-телем и оценить динамику сушки трав в валке после оборачивания и сдваивания;

Рис. 1. Структурная схема реализации технологии заготовки грубых кормов в крупногабаритных

прямоугольных тюках

- разработать методику расчета параметров шнекового валкооборачива-теля (определить силовые и энергетические параметры шнекового обора-чивателя-сдваивателя);

-- оценить эффективность шнекового валкооборачивателя в сравнении с существующими средствами формирующими и оборачивающими валок;

- обосновать математическую модель процесса прессования грубых кормов в крупногабаритной прессовальной камере с учетом сил инерции и релаксации напряжений;

- разработать методику технологического расчета и выбора конструктивных параметров пресс-подборщика крупногабаритных тюков;

- провести лабораторные и полевые исследования установок и опытных образцов в хозяйствах и на МИС;

- оценить экономическую эффективность разработанной технологии и технических средств. '

На защиту выносятся:

- теория оборачивания и сдваивания валка шнековым валкооборачивате-лем и методика расчета его параметров и режимов работы;

- закономерности уплотнения грубых кормов в крупногабаритной прессовальной камере;

- методики расчета основных параметров прессования грубых кормов в крупногабаритной прямоугольной камере и конструктивных параметров пресс-подборщика.

- технологические и экономические показатели уборки трав на сено с оборачиванием, сдваиванием валков и формированием крупногабаритных тюков.

2. Оборачивание и совмещение валков шнековым валкооборачивателем

Литература, посвященная теории и экспериментальным исследованиям перемещения материала шнеком достаточна обширна. К ней можно отнести работы Е.М. Гутьяра, П.М. Василенко, А.О. Спиваковского, А.Н. Тимофеева, Н.Д. Алексеева, A.M. Григорьева и др.

В большинстве своем эти литературные источники посвящены тран-спортированшо сыпучих, вязких и связных материалов. По оборачиванию и совмещению валков сена шнеком опубликованных материалов совершенно недостаточно.

Ниже обобщены материалы исследований [1, 7] оборачивания и сдваивания валков шнековым оборачивателем.

Транспортирование лиетостебельной массы шнеком. На рис. 2 показана схема сил, действующих на элемент материала массой ш, находящийся между витком шнека и корпусом в точке М, отклоненной от нижнего положения на угол е. Развернув винтовую линию в плоскости, касательной к корпусу шнека, и спроектировав силы, действующие на материал в этой

плоскости на оси OiXi и OiYi, получили [7] условия перемещения материала шнеком при установившемся движении:

- JV¡ cosa + F¡ siria + F\ sinp > 0; Nx sina + F¡ cosa - F2 cosfí - Gsins > 0;

где Ni • нормальная сила, действующая от витков шнека на материал под углом a (a - угол подъема винтовой линии); Fi=fiNi - сила трения материала о шнек (/i - коэффициент трения), Н; ); h'i-fihh - сила трения материала о корпус шнека {fi - коэффициент трения), Н; Ar2=Pi;+G'cosr. - нормальная сила давления, действующая на материал со стороны корпуса шнека, Н; „ л»'2 eos2 В „ ,,

Pt = ——----центробежная сила инерции, Н; Р - сила сжатия материала

' к

шнеком, Н; v - абсолютная скорость материала, м/с; р - угол между вектором абсолютной скорости материала и вектором его окружной скорости; R - радиус шнека, м; G - сила тяжести материала, Н.

Определив абсолютную скорость материала из плана скоростей

, iofeina ч _ _

(v = —7---v) и проведя необходимые преобразования, получим:

sin(a + pj

ft[w2Rsin2 a eos2 /?+ gcosí?sin2(or+ /?) + -- Fsin2(cr + /?)][cos/?- sin/Jíg(a +

----B1--= 1 (21

g sin2 (« + /7)(-sine) '

где <j>i - угол трения.

Выражение (2) является решением выражений (1) и содержит угловой параметр р, связанный с параметрами шнека: R, <x, J\, fi, Р и режимом его работы о.

Рис. 2. Схема сил взаимодействия шнека с материалом

Проведенные расчеты показали, что в зависимости от положения материала (0<е< 180°) угол р имеет значение 45...60°. Различные значения угла Р определяют величину абсолютной скорости материала и ее направление, что влияет на вспушивание материала после схода со шнека и его оборачивание.

Движение материала после шнека. При перемещении материала шнеком происходит подъем и частичный его поворот относительно исходного положения в валке. В конце шнека материал выбрасывается последним витком и в полете по криволинейной траектории осуществляется окончательное его оборачивание, вспушивание и распределение по ширине валка.

Рассмотрено движение элемента материала, влияние реальных стеблей и их связанности в потоке, что учтено коэффициентом пропорциональности, определявшимся экспериментально [7].

На элемент материала, движущийся в воздушной среде, действуют: сила тяжести и сила сопротивления среды К-кт У<„ направленная по

касательной к траектории полета в сторону, противоположную вектору скорости Уо.

Дифференциальное уравнение движения материала в полете запишется [6]:

ífX , dx m—T--km—; dt dt d1 У . dy di dt í

d2Z , dz

n—- = -km--1

dt di

где к - коэффициент пропорциональности.

Исключив из этих уравнений т и проинтегрировав их при начальных условиях го=0; Ао=0; Го=0; 2<)=/!о (где /¡о-Н - Ясобе), получим

^ = -кх + ; ^ = -ЛУ + V,; ~ = - ¡а - д(+V, + щ (здесь У'у = Уу- Уу).

Для решения последних уравнений применил! интегрирующий множитель е . Тогда для начальных условий имеем

г = + Д+ (4)

к к к

Выражение для определения продолжительности полета материала чим из (4) после замены У2 = Кссярвте

получим из (4) после разложения е1" в ряд Маклорена е'ь =1 и

«RK + — + 2g)2 + 2 h0(<oRK + g) Г=-*_I*-, (5)

б+ g

sin a cos (3 sine

где X =-—.

sin(a+(3)

Координаты материала в конце полета в зависимости от параметров и режимов работы шнека равны

^Qlsinasinp „

Arsin(a + (3)

V,, оЛ sin a cos В cose „ .it.

Y-—-----(1-е ).

к Asin(a + P)

Полагая, что материал в начале полета располагается в двух крайних точках, определяемых соответственно углами si и е;, найдем ширину валка

с _р

B = (\ + c)Rcosyn^^-. (6)

где с - коэффициент расширения материала.

Мощность привода рабочих органов валкооборачивателя. Мощность /V, необходимая для привода рабочих органов валкооборачивателя, слагается из мощности привода подборщика Мюд, мощности на преодоление сил трения материала о шнек Мигр и о корпус Мстр, мощности на сообщение материалу кинетической энергии ЭДсн. После определения значений составляющих мощности N получим

где соп, со - угловая скорость вращения вала подборщика и шнека, с"1; q -масса материала в 1 пог. м валка, кг; г - радиус подборщика, м; h - высота валка, м; гп - центральный угол контакта материала с хомутами подборщика, рад;/, - коэффициент трения материала о хомуты подборщика; m - масса материала, находящегося под шнеком, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2, Г - сила сжатия массы шнеком.

Обобщение экспериментальных исследований оборачивания валка

Исследованы валкооборачиватели со шнековым рабочим органом: прицепной к тракторам класса 0,9 и 1,4 и навесной на шасси самоходной косилки-плющилки КПС-5Г [4].

Установлено, что с увеличением угловой скорости вращения шнека с 28 до 35 с-1 увеличивается ширина валка и уменьшается его высота. Увеличение скорости машины с 2,0 до 3,5 м/с приводит к уменьшению ширины валка и увеличению его высоты. Двухфакторный дисперсионный анализ результатов этих исследований показал, что весомость фактора скорости на ширину формируемого валка составляет 98,7%.

При оборачивании валка злаковых трав влажностью 30% и массой 2,5 кг/пог.м полет материала после схода со шнека исследован [6] скоростной киносъемкой. По результатам дешифровки кинограмм построены траектории полета материала и определены значения начальной скорости материала v, угол |3, время Ти дальность Эполета материала (табл. 1), вычислен коэффициент пропорциональности к=0,26±0,055 с !.

Как видно из таблицы, расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 5%.

Качественное оборачивание валка (на 180°), равномерное распределе-

ние в нем материала, наибольшее вспушивание (увеличение объема на 30,6%) достигается при работе валкооборачивателя с однозаходным шнеком.

Таблица 1

Показатели полета материала

Угловая скорость вращения Скорость материала, Км/с Угол Р, град Продолжительность, Т, с Дальность, X, м

шнека, с-1 эксперимент расчет экспе-римен т расчет экспе-римен т расчет экспе-римен т расч ет

20 2,0 2,0 56 54 0,69 0,68 1,0 1,0

25 2,4 2,5 54 52 0,65 0,63 1,0 1,2

27 2,4 2,7 50 50 0,60 0,59 1.1 1,1

30 2,7 2,9 47 48 0,57 0,54 1,2 1,3

34 3,0 3,2 45 47 0,55 0,50 1,3 1,4

Мощность привода рабочих органов валкооборачивателя определяли методом тензометрировашш. На рис. 3 представлены графики зависимости мощности привода .\'0/) и крутящего момента МКР шнека от подачи материала <7 (кг/с).

М, Н-м 3000 2000

1000

N. кВт

12 8 4

1 • 1 к

\ В*

М

К,

о.

Р" ^ПГЩ —

¡Я*» о—

0 4 8 12 16 20 24 кг/с

Рис. 3. Зависимость мощности и крутящего момента от подачи материала

На рис. 3 представлена также зависимость общей мощности Л'0,; вычисленная по уравнению (7). Расхождение расчетных данных от экспериментальных не превышает 5%.

Для оценки количественных связей мощности (у) и определяющими

факторами использовали методы регрессионного анализа. В полном двух-факторном эксперименте в качестве независимых переменных приняты частота вращения шнека (лч) и подача материала (xj).

Среднее значение в параллельных опытах Г£ и оценку дисперсии S; определяли по известным формулам:

_ ИХц! . ,„ 1

где т - число дублирующих опытов.

Для проверки гипотезы об однородности дисперсий использовали maxfs;]

критерии Ко хрена Gmas =—.

2Х

/--1

После определения коэффициентов методом наименьших квадратов получили уравнение регрессии

>' = 8,64+1,18 а-1+4,14.vs. (В)

Адекватность последнего уравнения проверяли по критерию Фишера при 5% уровне значимости. Большие значения коэффициента при хг в уравнении (8) свидетельствует о преобладающем влиянии подачи материала на мощность привода валкооборачивателя [5].

Дииамика сушки трав в валке после оборачивания. Исследование динамики сушки многолетних злаковых трав в валке (влажностью 47%) показало, что после оборачивания его однозаходным шнеком трава сохнет быстрее и пригодна к уборке на второй день сушки. Тогда как после оборачивания другими машинами (граблями ГВК-6 и ГВР-6,0) к этому времени влажность травы была выше на 10...18%.

Методика расчета параметров и технико-экономические показатели шнекового валкооборачивателя. Анализ результатов исследования позволил обосновать требования к шнековому валкооборачивателю и разработать методику расчета его параметров и режимов работы [15].

Валкооборачиватель должен удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать оборачивание на 180° и совмещение валков, образованных как из свежескошенной, так и подвяленной травы влажностью 30-60%, а также соломы массой до 10 кг/пог.м; снижать объемную массу в валке после оборачивания не менее, чем на 30%; поперечное сечение валка должно быть близко к прямоугольному шириной 1,2... 1,8 м.

Установлены [5, 8] рациональные параметры шнекового валкообра-зователя: шнек однозаходный плавающего типа с консольным креплением; наружный диаметр шнека 600 мм, внутренний диаметр - 300 мм, шаг витков 600 мм;угловая скорость вращения шнека 26...28C1; рабочая скорость машины до 3,3 м/с; ширина захвата подборщика 3 м; мощность привода рабочих органов в зависимости от подачи составляет 5...12 кВт.

3. Теоретические основы уплотнения грубых кормов в крупногабаритной

прессовальной камере

Исследованию прессования сено-соломистых материалов посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов. Зависимость между давлением на поршень и его перемещением впервые была установлена в работах И.И. Вольфа и A.A. Чапкевича, которые выражали ее в параболическом виде. Позднее закономерности аналогичного вида были получены Скальвейтом, С.А. Алферовым, Е.И. Храпачом, Т.Н. Дмитриевым, Э.Мевесом. Показательная функция давления на поршень от плотности материала получена в работах М.А. Пустыгина, A.A. Туликова, В.И. Особо-ва, И.А. Долгова.

Теоретически прессование изучалось акад. В.П. Горячкиным и проф. Е.М. Гутьяром. Первый получил зависимость распределения давления в продольном направлении в параболическом виде, второй - в экспоненциальной форме. Основной недостаток этих зависимостей состоит в том, что их вывод основан на законе Гука, т.е. на предположении постоянства модуля упругости и коэффициента Пуассона. Последующими опытами С.А. Алферова, В.И. Особова, Н.И. Кленина, а также других авторов было установлено, что упругие параметры прессуемого материала не постоянны, а возрастают с увеличением плотности, в связи с чем использование закона Гука при описании деформации грубых кормов неправомерно.

Наиболее полно прессование сено-соломистых материалов описано в работах В.И. Особова, Г.К. Васильева и И.А. Долгова. В.И. Особовым в результате теоретического рассмотрения вопроса были получены и экспериментально подтверждены закономерности процесса в виде уравнения состояния прессуемых материалов.

И.А. Долговым дана общая характеристика деформации сено-соломистых материалов. Получена экспоненциальная зависимость давления на поршне от геометрических параметров камеры, массы и физико-механических свойств прессуемых материалов. Выведены математические зависимости, характеризующие релаксацию напряжений и изменение плотности сжатого материала при его восстановлении.

Для математического описания прессования авторами последних работ применялось механическое моделирование методом физической аналогии, основанное на использовании упругих и вязких элементов для объяснения поведения сено-соломистых материалов в процессе их уплотнения.

Однако следует отметить, что в основу полученных этими авторами зависимостей были положены статические модели. В частности, И.А. Долгов отмечал, что поскольку жесткости пружин и коэффициенты вязкого сопротивления предполагались постоянными, полученные уравнения усилий, необходимых для деформации моделей того или иного вида, оказываются применимыми лишь в небольших пределах изменения плотности. Для распространения полученных уравнений на весь интервал изменений плот-

ности прессуемого материала необходимы широкие эксперименты по определению вида входящих в уравнения коэффициентов или их функций.

Анализ исследовательских работ по прессованию сено-соломистых материалов показал, что при выводе закономерностей процесса авторы допускали его существенную идеализацию. Экспериментальные исследования проводились, как правило, на лабораторных установках, где процессы, имеющие место при прессовании материала, отличаются от процессов в камерах реальных пресс-подборщиков. Большинство экспериментальных зависимостей не содержит характеристик, отражающих связь физико-механических свойств прессуемых материалов с условиями прессования, а результаты отдельных исследований в этой области носят противоречивый характер. В связи с этим у исследователей нет единого мнения в аналитической оценке рассматриваемого процесса. В основу исследований были положены статические модели, то есть предпосылки того, что процесс прессования можно рассматривать как механическую систему с детерминированными внешними воздействиями, находящимися в равновесии. Однако при работе пресс-подборщика в реальных условиях такие параметры как скорость прессования, закон перемещения поршня, масса прессуемых порций, влажность, физико-механические свойства и начальная плотность материала являются переменными. В связи с этим переменными будут усилие прессования, конечная плотность тюков, энергия, затраченная на прессование, и производительность пресса.

Таким образом, дальнейшее совершенствование конструкций поршневых пресс-подборщиков, а также создание более прогрессивных машин этого типа невозможно без теоретических исследований, основанных на современном уровне знаний физики анализируемых процессов.

Аналитическое исследование прессования грубых кормов

Одним из основных показателей, характеризующих прессование грубых кормов, является плотность материала, которая повышается по мере увеличения прикладываемого давления. Для определения энергии, необходимой на прессование, и расчета усилий, возникающих при этом в деталях и механизмах пресс-подборщиков, необходимо установить взаимосвязь между давлением к плотностью, учитывающую как сопротивление материала сжатию, так и его трение о стенки прессовальной камеры. Приняты [13] следующие допущения: грубый корм - сплошная, однородная масса с одинаковой начальной плотностью во всем объеме камеры; до начала прессования напряжения в материале равны нулю; нормальные напряжения в каждой точке сечения, ортогонального оси камеры, одинаковы; давление прессования зависит от скорости деформации материала; параметры прессования - непрерывные и дифференцируемые функции.

Полагая, что процесс прессования грубых кормов характеризуется заданным законом перемещения поршня, давлением в материале, его плот-

ностью и величиной деформации (относительной или абсолютной), установим закономерность сжатия грубых кормов с учетом их физико-механических свойств и условий прессования.

Уравнение прессования. Исследованиями В.И. Особова и В.Г. Норей-ко установлено, что грубые корма обладают свойством упругости и вязкости. В процессе сжатия эти свойства проявляются одновременно. Используя методы физической аналогии, модель, позволяющую качественно описать поведение грубых кормов при уплотнении, можно представить в виде реологической модели Кельвина. Очевидно, что при нагружении указанной модели величина деформации составляющих ее упругого и вязкого элементов будет одинаковой, а соответствующее распределение напряжений между элементами - неравномерное. При этом результирующее значение напряжений в модели будет равно сумме напряжений в ее элементах.

Аналитическое описание такой модели определится некоторым соотношением, называемым реологическим уравнением состояния материала. Поскольку прессование грубых кормов связано с изменением объема уплотняемой порции материала, этими авторами составлено объемное уравнение состояния, связывающее давление прессования р с объемной деформацией в материала:

р = Кег + Т1'вг, (9)

где ¿у - скорость объемной деформации материала.

Плотность корма в прессовальной камере равна:

т "' апл

р» = ж' (10)

где т - масса корма в камере; IV- площадь поперечного сечения камеры; Ь -длина прессовальной камеры; р5- - плотность корма в камере, соответствующая перемещению поршня £ (абсолютной деформации корма). Используя соотношения (10), выражения для К и т]' можно записать в виде:

ЛГ„ ехр](?р0 5

(И)

П'= п'о ехр|&р0

Объемная деформация корма равна:

Д V № 5

ег=---= —. (12)

г V т ь у '

Подставляя в уравнение (9) вместо К и г|' их значения из уравнения (11), а вместо ет> выражение (12), и принимая скорость деформации материала

равной скорости прессования, то есть ¿у = — = V, после преобразований поЛ

лучим:

Р = ~-|Ж„ех1

+ Щ ехР

¿Ро

(13)

Анализ уравнения (13) показывает, что при 5=0 давление прессования также равно нулю, а при Б=Ь оно стремится к бесконечности, что соответствует физическому смыслу задачи. Представив уравнение (13)

Р = -у ] % ехр[в(р - р0)]+^ п; ехр[й(р -р0)], (14)

имеем выражение для определения сопротивления кормов сжатию в зависимости от плотности прессования.

Для определения полного усилия на поршне, учитывающего не только сопротивление материала сжатию, но и трение его о стенки прессовальной камеры, выделим в прессуемом материале элементарный слой толщиной с1х, ортогональный оси ОХ камеры и запишем для него условие равновесия (рис. 4).

Внешними силами для рассматриваемого элементарного слоя будут разность сил слева и справа от выделенного слоя и сила трения материала о стенки камеры, то есть:

АГг = И{/>(л)-/>(Л+ </*)];

Зависимость между боковым и осевым давлением имеет вид:

q(x) = q0(x) + w(x). (16)

Рис. 4. Расчетная схема для определения усилия прессования В выражениях (15) для ГТРи (16) для д(х):

I - периметр поперечного сечения камеры;/- коэффициент трения материала о стенки камеры; qo(x) - остаточное боковое давление на стенки камеры, обусловленное упругим расширением спрессованного материала после снятия нагрузки; ц - коэффициент бокового давления.

С учетом ориентации оси ОХ и величин, входящих в выражения (15) и (16), окончательно находим:

После преобразований величина давления на поршне определяется из уравнения:

Полученным уравнением выражено необходимое давление поршня (в функции его перемещения) для получения заданной плотности корма в зависимости от его физико-механических свойств, геометрических параметров прессовальной камеры, заданного закона перемещения поршня 5-57') и соответствующей ему скорости прессования. Для определения величины усилия на поршне необходимо величину давления, определяемого по уравнению (18), умножить на площадь поперечного сечения IV; поршня.

Вывод уравнения (18) основывался на допущении о том, что ¿,, = У. Такое равенство, как указывалось выше, в отношении упруго-вязкой среды является не вполне строгим. Под этим следует понимать, что скорость передачи деформации в такой среде, вследствие ее вязкости, во всех случаях ниже скорости прессования (скорости перемещения поршня) и убывает в направлении сжатия. Следует также отметить, что полученная зависимость не учитывала влияния на процесс прессования сил инерции, возникающих в деформируемом материале. Необходимость их учета обусловлена тем, что процесс деформации связан с перемещением массы материала вдоль оси прессовальной камеры. Вследствие наличия вязкого трения между его частицами величина перемещений двух произвольно выбранных сечений его (ортогональных оси камеры) будет различна. Последнее приобретает важное значение при моделировании процесса прессования крупногабаритных тюков массой до 500 кг, так как в этом случае деформация материала сопровождается перемещением значительных масс его. Все это приводит к появлению различных по величине ускорений в рассматриваемых сечениях, что в свою очередь, требует учета инерционных сил в моделируемом про-

Яр(х) - Ц[р(х+ </л)]-[9о(л:) + ц/'Сфл// = 0.

(17)

Математическая модель прессования грубых кормов с учетом сил инерции

цессе.

Для описания процесса упруго-вязкой одноосной деформации с учетом отмеченных особенностей, разобьем весь объем прессуемого материала в камере на N слоев плоскостями, ортогональными оси ОХ. Учитывая принятые выше допущения о свойствах функций состояния материала р и р, можно считать (при достаточно большом числе рассматриваемых слоев N), что в пределах одного слоя давление и плотность меняются несущественно и, следовательно, могут быть с достаточной точностью представлены своими средними значениями. Материал в пределах каждого слоя представим комбинацией элементарных упругих (УС) и вязких (ВС) массивных, то есть имеющих конечную массу /и;, и трущихся о стенки камеры геометрически совмещенных составляющих. Назовем такую комбинацию элементарных составляющих упруго-вязким элементом (УВЭ). На рис. 5. условно (без учета геометрического совмещения) изображена комбинация таких УВЭ, моделирующая свойства грубых кормов при их прессовании. В схеме начало координат совпадает с исходным положением поршня; Хь Хт - координаты границ слоев УВЭ («=0,1,......,N-\); Ло соответствует сечению, расположенному непосредственно под поршнем; Хл. - упору камеры.

Давление, действующее на массивную часть УВЭ в z-том слое - /?,■ определим, используя реологическое уравнение состояния (9), принятое нами за основу при моделировании процесса упруго-вязкой деформации грубых кормов.

Используя выражение (9) для FTP, уравнение движения для любого из N слоев УВЭ, согласно принятым допущениям, запишется в виде:

X 4- X

где —~—- - ускорение центра масс г-ого слоя; /= 1,2,............ N.

Давление на упоре прессовальной камеры, согласно схеме, представленной на рис. 5, совпадает с давлением в N-ом слое, то есть py=pN. После ряда преобразований определим давление на поршне:

(2о)

Таким образом, выражение (20) позволяет определить основные параметры процесса прессования с учетом возникающих при этом сил инерции в уплотняемом материале.

О

0 *1 3= Рп Рця Х2 Ху

/ т2 К'-.: -ЩЩ "МАг

ВС -Съ -ю-

*1 Д*! Р-ГТ Х1 Рш X

X

о

Рис. 5. Схема, моделирующая свойства грубых кормов при их прессовании

Релаксация напряжений и методика учета этого явления. Наряду с учетом сил инерции при аналитическом описании прессования грубых кормов необходимо также учитывать релаксацию напряжений при их деформации. Указанное свойство в отношении грубых кормов проявляется как при переменной, так и при постоянной величине деформации. Рассмотрим оба вида релаксации напряжений, приняв в связи с этим, следующие допущения:

1. Скорость релаксации р (скорость падения напряжений в материале) пропорциональна разности (р,-А,), где р1 - текущая величина напряжения; А - предел релаксации (остаточное напряжение в материале, сохраняющееся при неограниченном увеличении времени); А( - текущая величина предела релаксации.

2. Предел релаксации А,- линейно зависит от напряжения р,, достигнутого к моменту времени

В процессе сжатия грубых кормов абсолютный прирост напряжений складывается из увеличения их за счет деформации материала и одновременного уменьшения вследствие релаксации.

Пусть р*(1) - исходная зависимость роста напряжений в материале без учета явления релаксации. Тогда, используя первое допущение, запишем:

или с учетом второго допущения:

Р, =Р1 -Ла0-Р).

(21)

где />' - исходная скорость роста напряжений в материале к моменту времени а - коэффициент пропорциональности, физический смысл которого

состоит в том, что — - время, в течение которого релаксирующая часть на-а

„ А , •

пряжении уменьшается в е раз; р - -- - доля нерелаксирующеи части наР,

пряжений; соответственно (1 -|Т) - доля релаксирующей части напряжений

(0<Р<1).

Выражение (21) представляет собой дифференциальное уравнение динамической релаксации. Его решением будет функция:

Х<> - е-я,н"{|Р*+ №] • (22)

|_0 J

Учитывая, что в момент предшествующий деформации напряжения в материале отсутствуют, то есть р(0)=0, после интегрирования по частям выражения в правой части (22), имеем:

р(«)= Я*(/)-а(1-Э>'п"-|,,,|Р*(/>а1М1,Л. (23)

с

Выражения (22) и (23) описывают закономерность изменения напряжений во времени с учетом их релаксации в процессе деформации материала. Более предпочтительна формула (23), так как не требует знания производной />*■

Рассмотрим теперь, как частный случай, явление релаксации напряжений при постоянной деформации материала. В этом случае, согласно первому допущению:

р = -а{р~Л(рс,)}, (24)

где />о - давление; достигнутое в момент завершения деформации материала (может быть получено экспериментально или аналитически с учетом выражения (23).

Интегрируя (23) по времени прошедшему с момента окончания деформации, получаем:

р{и)=А + {Ро-А)е-^. (25)

Учитывая, согласно второму допущению, что окончательно нахо-

дим:

Выражение (26) представляет собой уравнение статической релаксации и описывает закономерность изменения напряжений во времени, при условии, что деформация материала остается постоянной.

Таким образом, получены расчетные формулы (23) и (26) для определения динамической и статической релаксации при уплотнении грубых кормов.

Определение численных значений коэффициентов аир, входящих в эти зависимости, входит в задачи экспериментального исследования.

Зная значение давления прессования р"(г), работу прессования определяем следующим образом:

'к

лп = щ\ Р хп'{1)$(1)с11, (27)

или, учитывая, что £(0Л = (/5,

•V

Л„ = (28)

о

где 1к - момент завершения прессования; \\?х - площадь поршня.

Величину удельной работы прессования получим, разделив правую . часть выражений (27) или (28) на массу т уплотненного материала.

Численная реализация математической модели процесса прессования, полученной выше, проводилась на ЭВМ РБР-11/34 на языке Фортран-77 [13].

4. Методические вопросы экспериментальных исследований и испытаний

пресс-подборщиков для крупногабаритных прямоугольных тюков

Исследования и испытания проводились в лабораторных и полевых условиях. Это обусловлено тем, что на основании приведенных выше аналитических исследований, закономерности прессования порции материала справедливы для любого количества порций, составляющих тюк. В связи с этим при проведении лабораторных исследований определялись основные закономерности прессования порций материала в камере, а при проведении полевых - энергетические и технологические исследования процесса прессования крупногабаритных тюков, состоящих из нескольких порций.

При исследованиях предусматривали определение следующих параметров:

- осевых давлений на поршне и задней стенке, возникающих при прессовании грубых кормов, а также распределение давлений по высоте камеры;

- боковых давлений и коэффициентов, определяющих боковые давления;

- сил трения и коэффициентов внешнего трения прессуемых материалов о стенки камеры;

- сил инерции в уплотняемой массе материала и характера их изменения;

- коэффициентов реологического уравнения состояния прессуемого материала;

- коэффициентов, определяющих динамическую и статическую релаксацию напряжений;

- удельную работу прессования при уплотнении порции материала.

Исследования проводили для нескольких типов и влажностей грубого корма, прессование которого осуществлялось с различной скоростью, в определенном диапазоне плотностей.

Для реализации программы исследований была спроектирована и изготовлена стационарная лабораторная установка УКГ1-0,3, монтирующаяся на базе макетного образца пресс-подборщика крупногабаритных тюков ПКТ-500.

Лабораторная установка включала два разъемных гензометрнческих узла: тензометрический поршень с кареткой привода и тензометрическую прессовальную камеру с задней стенкой (упором).

В качестве датчика перемещения поршня использовался прецизионный линейный потенциометр ПЛП-12, а в качестве отметчиков начала и конца его рабочего хода - магнитоконгактные датчики на основе герконов.

В качестве преобразующей и регистрирующей аппаратуры при проведении исследований использовались тензометрический усилитель 8АНЧ-7М, магнитограф 'Те$1а" ЕАМ-500 и электронный осциллограф С1-67.

При проведении исследований применяли теорию планирования факторного эксперимента, предусматривающую определение объема опытов и схемы их проведения. В качестве функции отклика выбрана величина давления на поршень, а в качестве независимых количественных факторов -конечная плотность и влажность уплотняемых материалов, а также среднюю скорость перемещения поршня.

Выбор мет ода планирования и величины доверительной вероятности определили необходимые численные значения варьируемых факторов, а также количество опытов и их повторность для каждого исследуемого материала. Так, величины параметров, соответствующих трем уровням варьирования, составили: конечная плотность прессования 80, 120, 160 кг/м3; влажность клеверного сена 22,31, 27,23, 32,40%; влажность сена естественных трав 22,18, 27,5, 32,0%; средняя скорость перемещения поршня за время рабочего хода 0,415, 0,83, 1,245 м/с. Дополнительные значения ("звездные" точки): плотность прессования 71 и 168 кг/м3; влажность материала (сено) 21 и 33%; средняя скорость перемещения поршня 0,325 и 1,33 м/с.

5. Результаты экспериментальных исследований

Анализ результатов исследований показал, что характер полученных зависимостей процесса прессования одинаков для всех материалов, подвергавшихся сжатию. В связи с этим в графическом виде представлены зависимости, характеризующие процесс прессования, главным образом, клеверно-

го сена. Так, с увеличением влажности материала давление, обеспечивающее заданную плотность прессования снижается (рис. 6). С увеличением влажности разница в давлениях, соответствующих различным скоростям прессования уменьшается.

Рис. 6. Изменение осевого давления Р в зависимости от влажности IV уплотняемого материала и скорости гф (сено клеверное р=160 кг/м3)

На рис. 7 приведено распределение осевого давления по высоте камеры. Распределение давлений имеет нелинейный характер, что обуславливало получение неодинаковой плотности материала по высоте камеры.

Рис. 7. Распределение осевого давления Рпо высоте Н камеры при уплотнении материала различной влажности: 1 - солома пшеничная; 2-4 - сено клеверное; Г-4' - средние осевые давления на плите поршня; (р= 160 кг/м3) Закономерности изменения бокового давления в процессе уплотне-

ния, при любом сочетании переменных факторов, аналогичны характеру изменения соответствующего осевого давления, они возрастают с увеличением влажности материала. Результаты исследований показали, что остаточное боковое давление является характеристикой прессуемого сено-соломистого материала, зависящей от его вида и технологических свойств.

Изменение коэффициента ц бокового давления характеризуется двумя этапами. На первом этапе при малом перемещении поршня коэффициент ц нелинейно увеличивается. Второй этап характеризуется преимущественно линейным характером изменения ц и связан с дальнейшим увеличением осевого давления. При этом величина коэффициента бокового давления, начиная с некоторого значения, практически не меняется, что указывает на линейную зависимость между осевым и боковым давлением, представленным выражением (16).

Величины коэффициентов ¿1, соответствующие плотности материала 160 кг/м3, полученные обработкой экспериментальных данных, представлены в табл. 2.

Для практического использования численных значений коэффициентов бокового давления в соответствующих расчетных формулах было подобрано аналитическое выражение, описывающее изменение указанной величины в функции осевого давления, вида:

И = Иш.:<(1(29)

где к - коэффициент приращения бокового давления с увеличением р на 1 Па.

Таблица 2

Средняя величина коэффициента (1 бокового давления

Вид уплотняемого материала Влажность IV, %

17 22 27 32

Коэффициент ц

Солома пшеничная 0.261 - - -

Сено клеверное - 0.315 0,347 0,376

Сено естественных трав - 0,322 0,351 0,375

Математическая обработка экспериментальных данных, входящих в выражение (29), позволила получить значения коэффициента к для всех исследуемых материалов в зависимости от их влажности, которые представлены в табл. 3.

Таблица 3

Зависимость коэффициента /с от влажности IV

Влажность материала, \¥, % Вид уплотняемого материала

Солома Сено клеверное и естественных трав

Коэффициент /с, (Н/м2)"1

17 0,00091 -

22 - 0,0013

27 - 0,0015

32 - 0,0019

Численные значения коэффициентов трения материалов о стенки камеры, полученные по результатам экспериментов показывают, что при увеличении влажности прессуемого материала их значения также возрастают.

Силы инерции определялись расчетным путем. При этом принималось допущение о том, что весь прессуемый в камере материал сосредоточен в одном массивном слое УВЭ. Внешними силами для такого слоя будут усилия на поршне и упоре камеры, а также силы трения материала о боковую поверхность камеры. Располагая этими величинами и используя выражение (19), численные значения сил инерции для любого момента времени I процесса определялись из уравнения:

= (30)

Корректность такого подхода к определению сил инерции основана на том, что все величины, входящие в правую часть уравнения (30), получены путем прямых измерений в ходе эксперимента.

Средние значения сил инерции, возникающих в процессе уплотнения материалов, определенные по уравнению (30), а также соответствующее значение изменения сил инерции поршня показаны на рис. 8.

Как и следовало ожидать, характер изменения этих сил полностью совпадает. При этом с повышением влажности уплотняемого материала величина сил инерции в нем уменьшается. Отмеченная закономерность обусловлена тем, что с повышением влажности происходит снижение ускорения, приобретаемого частицами материала при их уплотнении, вызванное возрастанием сил внутреннего трения между ними.

Экспериментально подтверждено допущение о конечной величине скорости передачи деформации в материале, обусловливающей пространственно-временную неоднородность процесса прессования, введенное при его аналитическом рассмотрении.

В таблице 4 приведены численные значения коэффициентов Ко, т]о', а и Ь реологического уравнения состояния для исследуемых материалов, по-

лученные из выражения (17).

Рис. 8. Изменение сил инерции частиц УВЭ (РШ1\и :>) при деформации прессуемых материалов для различной влажности и изменение сил инерции

поршня п)

Таблица 4

Коэффициенты, полученные из выражения (18) (начальная плотность материалов р() = 57 кг/м3)

Уплотняемый материал и его влажность Значения коэффициентов

Ко а, м3/кг по', м2 W Ь, м3/кг

Солома пшеничная, w = 17% " 1730 0,033 152 0,03

Сено клеверное, iv = 22% 1370 0,033 175 0,03

w = ITA 1156 0,033 193 0,03

w = 32% 1000 0,033 230 0,03

Сено естественных трав, w = 22% 1280 0,033 167 0,03

w = 27% 1080 0,033 179 0,03

w = 32% 950 0,033 222 0,03

Из данных табл. 4 следует, что с увеличением влажности прессуемых материалов их модуль объемной деформации уменьшается, тогда как объемный модуль вязкого сопротивления увеличивается.

Максимальные ошибки при расчете давления прессования по выражению (18) с использованием данных табл. 4, в сравнении с экспериментальными значениями, составили: солома пшеничная - 7,7%, сено клеверное -10%, сено естественных трав - 9%.

На рис. 9 представлены экспериментальные кривые релаксации напряжений.

Рис. 9. Изменение статической релаксации напряжений при различной влажности уплотненных материалов (плотность материалов в камере 160 кг/м3).

Как видно, характер кривых существенно зависит от вида прессуемых материалов и их влажности, при увеличении которой скорость релаксации напряжений в материалах уменьшается. Релаксация напряжений зависит также от величины достигнутого в момент прекращения деформации давления. С ее увеличением процесс релаксации ускоряется.

Математическая обработка результатов экспериментов позволила получить численные значения коэффициентов, входящих в приведенные выше уравнения релаксации (табл. 5).

Таблица 5

Коэффициенты а и р, входящие в уравнения (22) и (26)

Исследуемые материалы

солома пше- сено сено естествен-

Влажност ничная клеверное ных трав

ь мате-

риала,

IV,% Значения коэффициентов

а Р а Р а р

17 1,26 0,79 - -

22 - - 1,24 0,82 1,П 0,835

27 - - 1,18 0,88 1,06 0,9

32 - - 1,10 0,93 1,03 0,94

Определение энергоемкости процесса уплотнения порций материала позволило установить, что удельная работа прессования при условии одинаковой начальной плотности материала зависит от его вида, влажности, скорости прессования и плотности материала. Указанная зависимость для исследуемых материалов проиллюстрирована на рис. 10. Как следует из рис. 10, удельная работа прессования возрастает с уменьшением влажности уплотняемого материала, что объясняется, как было показано выше, повышением его упругости.

Рис. 10. Зависимость удельной работы Ауд прессования от средней скорости

1ср перемещения поршня:

с - солома пшеничная, и' = 17%; о, х - сено клеверное, влажностью 22, 27 и 32% соответственно; (р = 160 кг/м^)

Результаты полевых испытаний

Целью полевых испытаний являлось определение силовых, энергетических и технологических параметров процесса прессования грубых кормов в крупногабаритные тюки, формируемые из нескольких порций материала. В качестве технического средства при этом использовался макетный образец пресс-подборщика крупногабаритных тюков с прессовальной камерой закрытого типа. Целью вторых исследований являлась сравнительная оценка энергозатрат при прессовании грубых кормов в прессовальной камере открытого и закрытого типов. Исследования проводились по принятым на МИС стандартным методикам.

Исследовали сено люцерны (влажность 7,3%-27,3%) и пшеничную солому (влажность 5,0-5,7%).

Данные исследований показывают, что так же, как при уплотнении одной порции, усилие прессования и потребная мощность при формировании тюка, состоящего из Мп порций, во всех случаях зависят от плотности прессования, вида и влажности уплотняемого материала. Так, при уплотнении сена влажностью 17,0% максимальное усилие, соответствующее

плотности прессования 188 кг/м3, составило 175,8 кН, а плотности 129 кг/м3 - 113,3 кН. При этом начальные плотности материалов различались несущественно. Потребная мощность на прессование в указанных случаях составили соответственно 66 и 57 кВт. Аналогичные данные получены при уплотнении материалов с другой влажностью.

Таким образом, в результате проведенных исследований, экспериментально подтверждена предпосылка о том, что закономерности, возникающие при уплотнении грубых кормов, не зависят от массы уплотняемой порции и справедливы для любого количества порций, составляющих тюк.

Сравнительный анализ данных исследований показывает, что при прочих равных условиях процесс прессования грубых кормов в крупногабаритной камере открытого типа является более энергоемким. Так, при уплотнении сена влажностью 8,8% до плотности 129 кг/м3 в камере открытого типа, потребляемая мощность составил 79 кВт. При уплотнении сена влажностью 7,3% до той же плотности в камере закрытого типа мощность составила 57 кВт.

Таким образом, экспериментально установлено, что с точки зрения затрат энергии менее энергоемким является процесс прессования в крупногабаритной камере закрытого типа.

Результаты численной реализации математической модели процесса упруго-вязкой деформации грубых кормов

С целью проверки достоверности результатов, получаемых при численной реализации математических моделей, представленных выражениями (18) и (23), а также определения работы прессования применительно к процессу формирования тюка, состоящего из порций, экспериментальные данные усилий прессования, полученные в ходе полевых исследований, сравнивались с результатами счета на моделях. При этом использовались программы на ЭВМ РОР-11/34. В качестве исходных данных для расчета использовались данные, полученные в результате лабораторных экспериментов.

Результаты численной реализации математической модели, представленной выражением (18), в сравнении с данными полевого эксперимента, показаны на рис. 11. При этом графические зависимости представлены в координатах "давление-плотность", что наиболее наглядно отражает характер изменения искомой величины в процессе многопорционного прессования.

60 50 40 30 20 10

р ,кПа

Материал: люцерна, со = 20%

Масса тюка: 340 кг (эксперимент) 338,92 кг (расчет)

Плотность прессования:

128 кг/м (эксперимент) 127,41 кг/м3 (расчет)

10 30 50 70 90 110 Р)КГ/м

Рис. 11. Зависимость давления р на поршне от плотности р прессования: -- расчетная; х - экспериментальная

Обработка результатов численной реализации математической модели процесса и соответствующих экспериментальных данных позволила получить значения суммарных относительных ошибок. Так, величина ошибки между расчетными и экспериментальными значениями давлений для условий эксперимента, представленного на рис. 11, составила 7,8%.

6. Пресс-подборщик для крупногабаритных прямоугольных тюков

Проведенные исследования позволили разработать методику технологического расчета пресс-подборщика.

Исходными данными для расчета приняты [12] агротехнические требования на плотность прессования, размеры тюка и производительность пресс-подборщика.

Выбраны и обоснованы конструктивная схема механизма привода поршня и его кинематика, подающий механизм пресс-подборщика и другие параметры режима работы.

Поршень приводится в движение кривошипно-ползунным механизмом. Порции материала подаются в прессовальную камеру вильчатым загрузчиком.

Пропускная способность пресс-подборщика составляет [11] 10 кг/с при плотности прессования 70-150 кг/м3. Масса тюков не более 500 кг; при

рабочей скорости до 3,3 м/с, полнота сбора не менее 98%.

В результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ФКТИкорммаш (г.Фрунзе) совместно с ВНИИКОМЖ при нашем непосредственном участии создан первый отечественный комплект машин для заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках. Комплект состоит из пресс-подборщика ПКТ-Ф-2,0 "Киргизстан-500" (шифр Р. 16.14.2) и приспособления для погрузки тюков в транспортное средство и в штабель ПТ-Ф-500. Пресс-подборщик ПКТ-Ф-2,0 подбирает сено или солому из валков, прессует ее в крупногабаритные тюки прямоугольной формы массой до 500 кг, и обвязывает тюки шпагатом.

Технологическая схема и работа пресс-подборщика ПКТ-Ф-20 показана на рис. 12, он же в работе показан на рис. 13.

Пплпппши,.- Набша" КаыеРа Загруз. Механизм Вязаль- Мери- Механизм

нидоорщик тель загрузочная так Поршень включения ный тельное уплот- Уплотнитель

\ V у "поршкяД аппарат^ колесоп нениям. I

порция порции

Рис. 12. Схема технологического процесса пресс-подборщика

ПКТ-Ф-20

Рис. 13. Вид на обвязанный тюк при выходе его из прессовальной камеры

Результаты испытаний пресс-подборщика ПКТ-Ф-2,0

Испытания опытных образцов пресс-подборщика ПКТ-Ф-2,0 с нашим участием проводили на Владимирской, Киргизской и Казахской машиноиспытательных станциях, в сезон заготовки кормов. При плановой годовой загрузке пресс-подборщика, составляющей 150ч, фактический объем наработки испытаний составил: Владимирская МИС - 152 ч, Киргизская МИС -206 ч.

На основании протоколов испытаний пресс-подборщика ПКТ-Ф-2,0 (код ОКП 4744180621) государственной приемочной комиссией решено по-

ставить на производство пресс-подборщик крупногабаритных тюков ПКТ-Ф-2,0.

Технико-экономические показатели комплексов и машин для заготовки прессованного сена следующие:

затраты труда на прессовании (чел ч/т):

- тюков массой 25 кг - 1,25;

- рулонов массой 500 кг - 1,06;

- прямоугольных тюков массой 500 кг - 0,43:

приведенные затраты на прессование (руб./т):

- тюков массой 25 кг - 10,11;

- рулонов массой 500 кг - 6,08;

- прямоугольных тюков массой 500 кг - 5,42.

Годовой экономический эффект от применения нового комплекса машин составляет (в ценах 1990 г.):

- взамен комплекса (ПС-1,6; ГУТ-2,5А и ТШН-2,5А) - 4408 руб.;

- взамен рулонного комплекса - 732 руб. при перевозке корма на расстояние 4 км и 1760 руб. - на 50 км.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Оборачивание валков ускоряет сушку трав, снижает потери питательных веществ, а совмещение валков повышает производительность и уменьшает число проходов по полю машин на подборе.

2. Валкооборачнватель должен удовлетворять следующим основным требованиям:

- обеспечивать оборачивание и совмещение валков, образованных из све-жескошенных и подвяленных трав, а также соломы, мощностью до 10 кг/пог.м;

- оборачивание валка должно осуществляться на 180°, при этом снижение объемной массы в валке должно быть не менее, чем на 30%;

- поперечное сечение валка после оборачивания должно быть близко к прямоугольному с шириной 1,2-1,8 м.

3. Шнековые валкооборачиватели сокращают до 20% механические потери и обеспечивают необходимую структуру валка.

4. Абсолютная скорость перемещения материала шнеком зависит от его радиуса, частоты вращения и угла подъема винтовой линии, частоты вращения шнека и положения материала в корпусе шнека; дальность и время полета материала после схода со шнека зависит от его параметров, режимов работы, скорости движения машины и сопротивления воздушной среды; мощность, необходимая для привода валкооборачи-вателя, зависит от параметров и режимов работы подборщика и шнека, а также от подачи материала.

5. Шнековый валкооборачнватель с однозаходным шнеком обеспечивает получение валков, равномерных по ширине, высоте и распределению массы. Плотность массы в валке после оборачивания снижается на 30%, что обеспечивает быструю равномерную сушку валка. Вариация влажности травы в валке от средней не превышает ±2,5%.

Ширина и высота валка после оборачивания его шнековым валкообо-рачивателем зависят от частоты вращения шнека, скорости движения машины и положения валкооборазующегъ щитка. С увеличением частоты вращения шнека увеличивается ширина валка и уменьшается его высота. Увеличение скорости движения машины приводит к уменьшению ширины валка и увеличению его высоты. Уменьшение расстояния от конца шнека до валкообразующего щитка ведет к уменьшению ширины формируемого валка и увеличению его высоты.

6. Предлагаемая технология заготовки грубых кормов в крупногабаритных тюках по сравнению с традиционной позволяет значительно упростить механизацию погрузочно-транспортных работ, полностью исключить затраты ручного труда и заготавливать сено высокого качества, особенно из бобовых трав. Прямоточная подача материала в прессовальную камеру, позволяет сократить потери наиболее ценных частей растений - листьев и соцветий при их транспортировании. Воз-

можность регулирования плотности прессования позволяет заготавливать массу повышенной влажности, что в сочетании с методом активного вентилирования тюков резко сокращает сроки уборки кормов.

7. При прессовании крупногабаритных тюков массой до 500 кг деформация материала сопровождается перемещением значительных масс, что приводит к появлению различных по величине ускорений и требует учета инерционных сил. В процессе прессования грубых кормов абсолютный прирост напряжений складывается из увеличения их за счет деформации материала и одновременного уменьшения вследствие релаксации. Представив прессуемый материал комбинацией упруго-вязких элементов, обоснована математическая модель процесса прессования с учетом сил инерции и релаксации напряжений. Численная реализация предложенной математической модели процесса прессования произведена на ЭВМ и подтверждена экспериментальными исследованиями.

8. Экспериментально установлена функциональная связь между силами инерции и трения, подтверждено допущение о конечной величине скорости передачи деформации в материале, обуславливающей пространственно-временную неоднородность процесса прессования. С увеличением влажности прессуемых материалов их модуль объемной деформации уменьшается, а объемный модуль вязкого сопротивления увеличивается. Релаксация напряжений существенно зависит от вида прессуемых материалов и их влажности, при увеличении которой скорость релаксации напряжений уменьшается. Максимальные ошибки расчетных и экспериментальных данных составили от 1,3 до 10%, при этом меньшие значения ошибок получены при расчетах давления поршня с учетом снл инерции.

9. Полевые испытания пресс-подборщика крупногабаритных тюков с прессовальной камерой закрытого типа показали, что удельная работа прессования при условии одинаковой начальной плотности материала зависит от его вида, влажности, скорости прессования и плотности материала. Удельная работа прессования возрастает с уменьшением влажности удельного материала.

10. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработан первый отечественный пресс-подборщик ПКТ-Ф-2,0 для заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках. Испытаниями пресс-подборщика ПКТ-Ф-2,0 на ряде МИС установлено:

- заготовка грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках позволяет полностью исключить использование ручного труда на операциях подбора и складирования тюков;

- среднее содержание каротина в крупногабаритных тюках составляет 20,50 мг/кг против 17,90 в традиционных тюках и 17,30 мг/кг - в рулонах;

- регулируемая плотность прессования позволяет заготавливать грубый

корм повышенной влажности (до 35%) и досушивать тюки методом активного вентилирования. 11. На основании результатов испытаний государственной приемочной комиссией рекомендовано поставить на производство пресс-подборщик крупногабаритных тюков ПКТ-Ф-2,0.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Технология и машины для заготовки грубых кормов в крупных прямоугольных тюках. (Монография).-М.: ИНФРА-М, 1998. - 262 с.

2. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники (Монография). Кол. авторов под рук. к.т.н. Шпилько A.B. - М.: Минсельхозпрод РФ, ВНИИ экономики с.-х., 1998.- 219 с.

3. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. Часть II. Нормативно-справочный материал. Кол. авторов под рук. к.т.н. Шпилько A.B. - М.: Минсельхозпрод РФ, Департамент механизации и электрификации РИЦ ГОСНИТИ, 1998.

- 251 с.

4. Приспособление для оборачивания и совмещения валков. //Механизация и электрификация с.-х. 1979, №11, с. 48-49.

5. Энергетические показатели работы шнекового валкообразователя. //Экспресс-информация. Методы и организация испытаний с.-х. техники.

- М.: ЦНИИТЭИ Госкомсельхозтехники СССР, вып. 6, 1982, с. 1-7. (в соавторстве).

6. Транспортирование листостебелыюй массы и ее движение в воздухе при оборачивании валка. //В кн.: Труды ВНИИКОМЖ, М., ОНТИ ВНИИ-КОМЖ, 1983, с. 242-252.

7. Транспортирование лисгостебельной массы шнеком при оборачивании валка. //Механизация и электрификация с.-х., 1983, №12, с. 15-16.

8. Оборачиватель валков. A.C. № 891021, Бюл. изобр., № 47, 1981 (соавторы Ермачков В.Г., Корнеев А.Б., Счастливый АЛ).

9. Федеральная система технологий и технических средств для растениеводства. Минсельхозпрод РФ., М., 1995. - 120 С. (в соавторстве).

10. Техника для заготовки кормов в крупногабаритных тюках. //Механизация и электрификация с.-х. 1997, № 8, с. 14-16.

11. Производительность крупногабаритных пресс-подборщиков. //Тракторы и сельхозмашины, 1997, № 8, с. 29-30.

12. К расчету пресс-подборщика крупногабаритных тюков. //Тракторы и сельхозмашины, 1997, № 9, с. 31.

13. Исследование процесса прессования грубых кормов. //Механизация и электрификация с.-х., 1997, № 10, с. 27-30.

14. Создание техники нового поколения для растениеводства (в соавторстве). Тракторы и сельхозмашины, 1998, № 3, с. 17-20 и № 4, с. 2-4.

15. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. Машиностроение. Энциклопедия, том. IV-16-Сельскохозяйственные машины и оборудование. М, 1998 г.

¿„ж

Институт комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства ("ВНИИКОМЖ")

■ ■/■■{ МОМ'Л'* •■ Ла правах рукописи

ШПИЛЬКО Анатолий Васильевич

Ж

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАГОТОВКИ КОРМОВ В КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТЮКАХ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

бибяиотб&а

Автор выражает благодарность сотрудникам Подольской и Владимирской МИС за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук А.В.Авдеев

доктор сельскохозяйственных наук В.Г.Егоров

доктор технических наук В.М.Халанский

Ведущее предприятие: Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства.

Защита состоится " 29 " декабря года в 13 часов на заседании

диссертационного совета Д 120 )2 - "клго государственного агро-

инженерного университете 1 " ; адресу; 127550, Москва, ул. Тимирязевская, д. 58

С диссертацией можн; пверситета.

Диссертация в виде кг/ .оря 1998 г.

Ученый секретарь диссерт совета, канд. техн. наук, до*

.Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Кормопроизводство является одной из важнейших отраслей агропромышленного комплекса РФ, темпы и научно-технический уровень развития которой во многом определяют решение продовольственной проблемы страны. Однако сложная экономическая ситуация в стране и связанное с этим ухудшение материально-технического обеспечения сельского хозяйства привели к негативным процессам в развитии кормопроизводства. После 1990 года начался резкий спад продуктивности кормовых культур, посевных площадей и производства грубых и сочных кормов. Так, производство сена в 1996 г. по отношению к 1990 г. составило 52%, соломы 60%, сенажа - 55%.

Из-за недостатка растительных кормов, несбалансированности рационов, потенциальная продуктивность животных используется на 40-50%.

Одной из причин резкого сокращения производства кормов является острый недостаток в хозяйствах современной кормоуборочной техники. Поэтому разработка новых технологий и создание высокоэффективных машин для заготовки грубых кормов является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Целью исследований является повышение эффективности заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках.

Объекты исследования: технологии заготовки грубых кормов для различных условий, модели прессования сено-соломистых материалов, лабораторные установки, опытные и производственные образцы валкооборачива-теля и пресс-подборщика для заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках.

Методы исследования. Процессы образования, оборачивания и подбора валков рассматривали с применением методов теоретической механики, аналитической и дифференциальной геометрии, математического моделирования. Процессы прессования кормов обосновывали с использованием реологических свойств упруго-вязких материалов. Экспериментальные исследования проводили с использованием математических и физических моделей с применением теории планирования эксперимента, тензометрии, стсопостной киносъемки. Обработку данных испытаний проводили с при-Г'",|аем теории вероятностей и математической статистики. ьг;|ую новизну составляют: безразрывный поток оборачивания грубого ? и динамические релаксации напряжений растительных материалов

формировании в крупногабаритные тюки. 'Тую ценность представляют математические модели образования и швания валка грубого корма, а также установление функциональной „ гежду давлением прессования, скоростью, плотностью и влажностью оиала.

«ческую ценность составляют разработанные технологии, методики

огического расчета шнекового валкооборачивателя, и выбора пара-

метров пресс-подборщика крупногабаритных ткжбв, методы оценки эффективности кормоуборочной техники.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований использованы НИИ кормов при составлении агротехнических требований на валко-оборачиватель прицепной (шифр СМ Р 41.02). Параметры и режимы работы шнека реализованы в конструкции навесного шнекового валкооборачи-вателя на шасси косилки-плющилки КПС-5Г, разработанного ГСКБ Люберецкого завода им. Ухтомского. ВалкооборачйватёЛь рекомендован к производству (шифр по СМ Р 41.01.01). Фрунзенским конструкторско-технологическим институтом по кормоуборочным машинам разработан и изготовлен образец прицепного шнекового валкооборачйвателя, который успешно прошел испытания.

Пресс-подборщик крупногабаритных тюков ПК Г-Ф-2,0 по результатам приемочных испытаний на Киргизской, Казахской и Владимирской МИС рекомендован к постановке на производство.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточно высокой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (максимальная ошибка между расчетными и экспериментальными величинами не превышала 5-10%), положительными результатами государственных и хозяйственных испытаний новых машин. Апробация работы. Основные положения, результаты исследования и разработок обсуждены и одобрены на объединенном заседании секций НТС МСХ СССР, Минживмаша и Госкомсельхозтехники СССР (г.Гомель, 1979г.), на НТС Госкомсельхозтехники СССР (г.Москва, 1982г.), на НТС Владимирской МИС (г. Покров, 1983, 1987г.), на секции НТС ВНИИ-КОМЖ (г. Москва, 1983г.), на секции НТС ВИСХОМ (г. Москва, 1983г.), на НТС Киргизской МИС (1987г.), Казахской МИС (1987г.), на НТС Минсельхозпрода РФ (г. Москва, 1995г.), на научно-практической конференции ВИМа (1997г.), на научно-практической конференции МГАУ (1998г.). Публикации. По проблеме работы опубликовано 15 основных печатных работ, в том числе 4 монографии, общим объемом 45,7 пл. и 1 а.с. Объем публикаций лично автора по рассматриваемой проблеме более 27 п.л.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние проблемы и задачи исследования

Основным видом грубого корма в зимних рационах скота является сено - корм, полученный в результате обезвоживания трав воздушно-солнечной сушкой до влажности 16%-18%.

Технологические операции заготовки сена можно разделить на две части: первая охватывает операции по скашиванию трав, плющению, ворошению и формированию валков, вторая - операции по подбору сена из валков, транспортировке и укладке его на хранение. Последняя в зависимости от технологии предусматривает заготовку рассыпного сена, измельченного и в прессованном виде.

Недостаток технологии заготовки рассыпного сена заключается в многочисленных промежуточных операциях от копнения до доставки сена к фермам, при которых происходят потери листьев и соцветий. Из-за больших затрат ручного труда эта технология за рубежом не применяется и находит ограниченное применение в РФ.

Резко сокращаются потери питательных веществ, при подборе валков подборщиками - полуприцепами. Эти агрегаты осуществляют подбор массы из валков, загрузку ее в кузов с подпрессовкой и транспортировку к местам хранения или скармливания. Проведенные испытания показали, что сравнение этой технологии с копенной потери питательных веществ уменьшаются в 2,5-3 раза; затраты труда на заготовку тонны сена снижаются в 2,0-2,5 раза. Однако технология заготовки грубых кормов подборщиками-полуприцепами эффективна [1, 9] при небольших расстояниях транспортировки (3-5 км).

Наибольшее распространение в мировой практике и в России в настоящее время получили технологии заготовки сена в прессованном виде. По этим технологиям масса из валков подбирается пресс-подборщиками, прессуется в тюки или в рулоны, которые загружаются в транспортные средства, перевозятся к месту хранения и укладываются в скирды. Недостатком технологии прессования в рулоны является то, что досушка сена в рулонах затруднена, поэтому рулоны приходится прессовать при пониженной влажности, что приводит к некоторому увеличению потерь сена.

В последнее десятилетие в мировой практике [9, 14] широкое распространение получает технология заготовки грубых кормов в прямоугольных тюках массой 300-500 кг.

Предварительный технико-экономический анализ показал, что наименьшие трудозатраты при заготовке сена в прессованном виде получаются при уборке его крупногабаритными пресс-подборщиками. Прессование сена в крупные прямоугольные тюки плотностью до 120 кг/м3 дает возможность заготавливать сено повышенной влажности (до 35%) с последующей досушкой его активным вентилированием [2, 3].

Технология заготовки сена и соломы в крупногабаритных тюках применяется в сельском хозяйстве США, Канады, Западной Европы. Выпуском пресс-подборщиков для такой технологии заняты такие известные фирмы как "Нью-Холланд", "Массей-Фергюсон", "Джон Дир", "Клаас". "Фортшриг", "Кроне" и др. [10].

Эффективность технологии заготовки кормов в крупных прямоугольных тюках обеспечивается высокой производительностью пресс-подборщика, пропускная способность которого 10-15 кг/с. Такой пропускной способности можно достичь за счет увеличения массы подбираемого валка.

Получение кормов высокого качества зависит от равномерной влажности подбираемой массы. Для равномерной и интенсивной сушки массы в валке его необходимо оборачивать с одновременным вспушиванием, при этом следует обеспечить максимальную сохранность листьев и соцветий.

Анализ машин и устройств для оборачивания и совмещения валков показал [4], что наиболее эффективным является шнековый валкооборачи-ватель, который также может производить совмещение двух-трех валков.

Из сказанного следует, что операции совмещения и оборачивания валков являются обязательными в технологии заготовки грубых кормов в крупных прямоугольных тюках, что повышает производительность пресс-подборщика, сокращает длительность и обеспечивает равномерность сушки трав, снизив тем самым потери питательных веществ. На рис. 1 представлена структурная схема реализации технологий заготовки грубых кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках.

В соответствии с изложенным, научная проблема сформулирована как разработка ресурсосберегающей технологии и машин для заготовки грубых кормов в крупных прямоугольных тюках.

В рамках этой проблемы совокупность выполненных работ состояла из решения следующих задач исследования:

- обосновать технологию и агротехнические требования уборки грубых кормов в крупногабаритных тюках с оборачиванием и совмещением валков;

- определить оптимальные соотношения геометрических и кинематических параметров шнека валкооборачивателя;

- определить параметры валков, образованных шнековым вапкообразова-телем и оценить динамику сушки трав в валке после оборачивания и сдваивания;

! В 81 о Ч. I 2 в в 3

NN

5

§ В«о.нса. жео.

а В'чёчбч

а 13- й 3

Рис. I. Структурная схема реализации технологии заготовки грубых кормов в крупногабаритных

прямоугольных тюках

- разработать методику расчета параметров шнекового валкооборачива-теля (определить силовые и энергетические параметры шнекового обора-чивателя-сдваивателя);

- оценить эффективность шнекового валкооборачивателя в сравнении с существующими средствами формирующими и оборачивающими валок;

- обосновать математическую модель процесса прессования грубых кормов в крупногабаритной прессовальной камере с учетом сил инерции и релаксации напряжений;

- разработать методику технологического расчета и выбора конструктивных параметров пресс-подборщика крупногабаритных тюков;

- провести лабораторные и полевые исследования установок и опытных образцов в хозяйствах и на МИС;

- оценить экономическую эффективность разработанной технологии и технических средств.

На защиту выносятся:

- теория оборачивания и сдваивания валка шнековым валкооборачивате-лем и методика расчета его параметров и режимов работы;

- закономерности уплотнения грубых кормов в крупногабаритной прессовальной камере;

- методики расчета основных параметров прессования грубых кормов в крупногабаритной прямоугольной камере и конструктивных параметров пресс-подборщика.

- технологические и экономические показатели уборки трав на сено с оборачиванием, сдваиванием валков и формированием крупногабаритных тюков.

2. Оборачивание и совмещение валков шнековым валкооборачивателем

Литература; посвященная теории и экспериментальным исследованиям перемещения материала шнеком достаточна обширна. К ней можно отнести работы Е.М. Гутьяра, П.М. Василенко, А.О. Спиваковского, А.Н. Тимофеева, Н.Д. Алексеева, A.M. Григорьева и др.

В большинстве своем эти литературные источники посвящены транспортированию сыпучих, вязких к связных материалов. По оборачиванию и совмещению валков сена шнеком опубликованных материалов совершенно недостаточно.

Ниже обобщены материалы исследований [1, 7] оборачивания и сдваивания валков шнековым оборачивателем.

Транспортирование листостебельной массы шнеком. На рис. 2 показана схема сил, действующих на элемент материала массой т, находящийся между витком шнека и корпусом в точке А/, отклоненной от нижнего положения на угол е. Развернув винтовую линию в плоскости, касательной к корпусу шнека, и спроектировав силы, действующие на материал в этой

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

плоскости на оси OiXi и Ой\, получили [7] условия перемещения материала шнеком при установившемся движении:

-iV^cosa + FjSma + i^sinpsO; 1

(1)

N¡ sina + F{ cosa - F¡ cos(5 - Gsins > 0; j

где Ni - нормальная сила, действующая от витков шнека на материал под углом a (a - угол подъема винтовой линии); Fi=fiNi - сила трения материала о шнек (/i - коэффициент трения), Н; ); Fi=fiNi - сила трения материала о корпус шнека (fi - коэффициент трения), Н; Nz-P^+Gcosf. - нормальная сила давления, действующая на материал со стороны корпуса шнека, Н;

Р - . центробежная сила инерции, Н: Р - сила сжатия материала

' л

шнеком, Н; v - абсолютная скорость материала, м/с; р - угол между вектором абсолютной скорости материала и вектором его окружной скорости; R - радиус шнека, м; G - сила тяжести материала, Н.

Определив абсолютную скорость материала из плана скоростей

, caRsina ч _ _

(у = —j-----г) и проведя необходимые преобразования, получим:

sin^a + i?)

/2 [со2 i?sm2 a cos2 f) + g cos s sin2 (a + ¡3) + -- Púrx1 (a + /?)] [cos/3 - sin jhtgia + <p,)]

----St--= j (2)

g sin2 (a + Д|(- sin s) ,w

где ф1 - угол трения.

Выражение (2) является решением выражений (1) и содержит угловой параметр р, связанный с параметрами шнека: Я, а, /ь/2, Р и режимом его работы ю.

Проведенные расчеты показали, что в зависимости от положения материала (0<8<180°) угол (3 имеет значение 45...60°. Различные значения угла р определяют величину абсолютной скорости материала и ее направление, что влияет на вспушивание материала после схода со шнека и его оборачивание.

Движение материала после шнека. При перемещении материала шнеком происходит подъем и частичный его поворот относительно исходного положения в валке. В конце шнека материал выбрасывается последним витком и в полете по криволинейной траектории осуществляется окончательное его оборачивание, вспушивание и распределение по ширине валка.

Рассмотрено движение элемента материала, влияние реальных стеблей и их связанности в потоке, что учтено коэффициентом пропорциональности, определявшимся экспериментально [7].

На элемент материала, движущийся в воздушной среде, действуют: сила тяжести О-гщ и сила сопротивления среды К-ктУ0, направленная по касательной к траектории полета в сторону, противоположную вектору скорости Уо.

Дифференциальное уравнение движения материала в полете запишется [6]:

(fx , dx m—r = -km—; dt dt dzY , dy m—r = -km—', dr at

m-

d Z dt2 :

-km-

где к - коэффициент пропорциональности.

Исключив из этих уравнений т и проинтегрировав их при начальных условиях /о=0; Хо=0; Уо=0; (где !ю=Н - Ясовг), получим

^ = = = + (здесь У'у=Ум-УЛ.

а: аг сн '

Для решения последних уравнений применим интегрирующий множитель е . Тогда для начальных условий имеем

2 = (4)

к к к

Выражение для определения продолжительности полета материала чим из (4) после замены vz = Vcosр sins

получим из (4) после разложения е'а в ряд Маклорена е к' = l-At+^-j-

Г=_^_^-( (5)

«ГО. + g

БтасозВвте где X = —. ' .

8т(а + Р)

Координаты материала в конце полета в зависимости от параметров и режимов работы шнека равны

к зт(а • р) '

К„ шЛвтасозВсозе _

У = —------(1-е ).

к к зт((х + р)

Полагая, что материал в начале полета располагается в двух крайних точках, определяемых соответственно углами 81 и 82, найдем ширину валка

Я = 0 + (6)

где с - коэффициент расширения материала.

Мощность привода рабочих органов валкооборачивателя. Мощность

.¡У, необходимая для привода рабочих органов валкооборачивателя, слагается из мощности привода подборщика А/под, мощности на преодоление сил трения материала о шнек Мп1р и о корпус Лгктр, мощности на сообщение материалу кинетической энергии ,Л/кн. П�