Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 11
Глава 2. Теоретические предпосылки процесса движения смесей минеральных удобрений в бункерах 30
2.1. Выбор модели смеси и обоснование ее допущений .30
2.2. Движение частиц компонентов смеси в различных зонах бункера 33
2.2.1. Движение частицы компонента смеси по поверхности "подпитывающей" воронки 33
2.2.2. Движение частицы компонента смеси верхнего слоя "подпитывающей" воронки 38
2.2.3. Движение частицы компонента смеси по граничной поверхности потока 40
2.2.4. Движение частицы компонента смеси в зоне истечения бункера 46
2.3. Период, частота и амплитуда колебаний эквивалентного неустойчивого свода 56
Выводы 56
Глава 3. Экспериментальные исследования 58
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 58
3.2. Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований 59
3.3. Методика определения наиболее значимых факторов, влияющих на расслоение смесей при истечении из бункеров .64
3.4. Методика планирования экстремального эксперимента 66
3.5. Методика определения зоны максимальной интенсивности расслоения смеси при ее истечении из бункеров 71
3.6. Методика экспериментальных исследований эффективности технических средств для снижения расслоения смесей минеральных удобрений 73
3.7. Методика обработки экспериментальных данных 74
Глава 4. Результаты исследований и их анализ 77
4.1. Выявление факторов, влияющих на расслоение смесей при истечении из бункеров 77
4.2. Проверка адекватности модельной смеси 79
4.3. Описание поверхности отклика 80
4.4. Определение зоны, максимальной интенсивности расслоения смесей при истечении из бункеров 87
4.5. Проверка эффективности технических средств, снижающих расслоение смесей 90
4.5.1. Устройство с активным приводом 90
4.5.2. Устройство с упругими элементами 95
Выводы 99
Глава 5. Методика расчета технических средств для снижения расслоения смесей и их технико-экономическое обоснование .101
5.1. Методика и алгоритм расчета основных параметров и режимов работы технических средств, снижающих расслоение смесей 101
5.2. Расчет технических средств, снижающих расслоение смесей 103
5.2.1. Устройство с активным приводом 103
5.2.2. Устройство с упругими элементами 112
5.3. Экономическая эффективность применения технических средств, позволяющих снизить расслоение смесей при их истечении из бункеров 115
Общие выводы 118
Литература 120
Приложения 136
- Выбор модели смеси и обоснование ее допущений
- Методика планирования экстремального эксперимента
- Описание поверхности отклика
- Экономическая эффективность применения технических средств, позволяющих снизить расслоение смесей при их истечении из бункеров
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важных условий экономической независимости страны является повышение сборов /рожая сельскохозяйственных культур. Повышение урожайности гесно связано с обеспечением почв питательными элементами. Гак как большинство сельскохозяйственных культур требуют здновременного внесения двух и более питательных элементов, го применение смесей минеральных удобрений является акту-иьным.
Исследованиями доказано, что при использовании смесей удобрений наблюдается их расслоение на всех этапах технологического процесса.
Одним из составных элементов машин для внесения минеральных удобрений служат бункера. Они обладают рядом положительных свойств: просты по конструкции, надежны в эксплуатации, могут сочетаться с любыми механизмами непрерывного или периодического действия и др.
Однако, несмотря на эти положительные качества, бункера имеют и серьезные недостатки, приводящие к резкому ухудшению их работы. Одним из таких их недостатков является выдача ими неоднородной по составу компонентов смеси, в частности, смеси минеральных удобрений, что, например, при работе туко-высевающих аппаратов отрицательно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур. Обусловлено это возникающим в бункерах явлением расслоения смеси на компоненты в процессе движения в полости бункера.
Поэтому изучение явления расслоения смесей в бункерах с целью его предотвращения или снижения есть, с одной стороны, борьба за более широкое использование и качественное применение смесей минеральных удобрений в сельском хозяйстве, а с другой - борьба за повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
Актуальность постановки и решения данной проблемы erne более очевидна в настоящее время, когда наметилась тенденция в создании высокопроизводительной сельскохозяйственной техники, включающей сложные бункерные устройства, оборудованные автоматическими системами управления и регулирования.
Цель исследования - выявление закономерностей движения компонентов туковых смесей при истечении из бункеров и разработка технических средств для снижения их расслоения.
Объект исследования - процесс движения смесей минеральных удобрений в бункерах сельскохозяйственных машин и установок.
Предмет нсследоваввв - установление взаимосвязей между факторами, влияющими на процесс движения туковых смесей в бункерах.
Методы исследования включали аналитическое описание движения частиц компонента смеси сыпучих тел в полостях бункеров с использованием основных положений теоретической механики, механики сыпучих тел, физики, методов математической статистики, планирования экспериментов, покадровой съемки, стандартных и вновь разработанных методик.
Научная вовазыа работы состоит в- описании влияния фрикционных характеристик компонентов на расслоение смеси, в выборе коэффициента расслоения и определении зоны наибольшей интенсивности расслоения смесей при истечении из бункеров.
Техническая новизна состоит в разработке устройств, снижающих расслоение смесей при истечении из бункеров.
На защиту выносятся следующие результаты:
выбор модели смеси туков и обоснование ее допущений;
зависимости, описывающие влияние фрикционных свойств компонентов на движение смесей при истечении нх из бункеров;
критерий оценки степени расслоения смесей;
технические средства, снижающие расслоение туковых смесей и обоснование их параметров;
методика технологического расчета технических средств для снижения расслоения туковых смесей при их движении в бункерах.
Реализация и ипедрение результатов работы. Технические разработки устройств, снижающих расслоение смесей, реализованы в лабораторных установках, а техническая документация и методика расчетов этих устройств переданы ОАО "Агрс-маш Ставропольский'' для внедрения в серийное производство.
Апробацна. Основные положения диссертации систематически докладывались на научно-технических конференциях в АЧГАА (г. Зерноград, 1998 - 1999 гг.) и РФ РЙАМа'(г- Зерно-град, 1999 г.).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. По результатам работы поданы 2 заявки на изобретения (по одной есть положительное решение о выдаче патента).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 38 иллюстраций. Список литературы включает 136 наименований, в том числе 7 - на иностранном языке.
Выбор модели смеси и обоснование ее допущений
Сыпучее тело принципиально отличается от других тел природы (жидкости, твердых тел и т. д.) дискретностью своего строения /37/. Модель сплошной связной среды, используемая многими авторами при изучении движения дискретных сыпучих тел в бункерах, не может с достаточной полнотой описать закономерности их движения в объеме бункера.
Однако, сыпучее тело не лишено и некоторых свойств, характерных для сплошных связных сред, в частности, жидкостей. Оно может течь подобно жидкости, оказывать давление на дно и стенки сосудов, в которые заключено, принимать форму последних /37/.
В настоящей работе в основу теоретических исследований процесса движения смесей компонентов сыпучих тел положена комбинированная модель дискретного сыпучего тела проф. Гя-чева Л.В.-Богомягких В.А. /20/, которая, кроме известных допущений бессводообразующей модели сыпучего тела проф. Гя-чева Л.В. /3 5, 37/, включает допущения, сформулированные проф. Богомягких В.А., позволяющие рассматривать процесс движения смесей сыпучих тел в бункерах с точки зрения их расслоения на отдельные компоненты.
Модель характеризуется следующими допущениями:
1. Силы внутреннего трения между частицами и силы трения частиц о стенку бункера пропорциональны соответствующим нормальным усилиям (закон Кулона) /20/, то есть силы адгезии и аутогезии, например, для минеральных удобрений не учитываются. Исследования проводились на смесях минеральных удобрений со стандартной влажностью.
2. Частицы сыпучего тела представляют собой одинаковые абсолютно твердые шары с некоторым постоянным углом укладки в объеме бункера /20/. В работе сделано допущение о тетраэдральной (наиболее плотной) укладке шаров с постоянным углом давления Р, равным «30.
3. Размеры шаров малы по сравнению с размерами поперечных сечений бункера и "высотой столба" сыпучего тела /20/. Данное допущение, наряду с допущением об укладке частиц в бункере, позволяет рассматривать расслоение смесей в бункерах с точки зрения дискретности и непрерывности его протекания.
4. В процессе движения шары не- врашаются /20/. Поворот отдельных частиц возможен лишь за счет случайных обстоятельств.
5. Движение шаров в потоке происходит по пересекающимся траекториям, представляющим собой линии скольжения сыпучего тела /20/. Это обуславливает вероятность образования в бункере неустойчивых сводов, которые влияют на относительное перемещение частиц компонентов смеси при ее движении в бункере.
6. В процессе движения плотность смеси не изменяется /20/. В состоянии покоя она стремится к утах а при движении к Ymin
7. Угол укладки шаров смеси сохраняется постоянным и в процессе ее движения при всех возможных перемещениях шаровых частиц.сыпучего тела в объеме бункера /20/.
8. Угол естественного откоса равен приведенному углу внутреннего трения частиц сыпучего тела /20/.
Особенностью принятой модели является то, что она учитывает форму и силу тяжести реальных частиц. Кроме того, перемещение этих частиц в бункерах происходит не по сходящимся к одной точке линиям скольжения (как трактуют бессводооб-разующие модели сыпучих тел), а по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующей поверхности скольжения потока. Это позволяет рассматривать процесс движения сыпучих тел в бункере с учетом образования в них сводов, влияющих на относительное перемещение частиц компонентов смеси в объеме бункера.
Данная модель дополнена следующим допущением:
9. В процессе движения смесей удобрений в бункере химическое взаимодействие между компонентами не происходит.
Это позволяет рассматривать смесь как частицы с исходными физико-механическими и гранулометрическими характеристиками.
Таким образом, указанная модель сыпучего тела достаточно полно отражает реальные свойства смесей сыпучих тел. Это дает возможность исследовать их расслоение на отдельные компоненты при движении в объеме бункера.
Рассмотрим возможные случаи движения частиц компонентов смеси в различных зонах бункера.
Методика планирования экстремального эксперимента
Планирование эксперимента - это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения задач с требуемой точностью /76/. Для решения поставленных выше задач в данной работе используется методика планирования экстремального эксперимента.
Выбор методики планирования экстремальных экспериментов объясняется тем, что позволяет с помощью полученного уравнения поверхности отклика и его анализа определить оптимальные условия протекания исследуемого процесса.
В настоящее время в теории планирования экспериментов разработано множество планов, обладающих различными свойствами.
В данной работе используется ортогональный план второго порядка, обладающий тем преимуществом, что позволяет получить независимые оценки коэффициентов регрессии с минимальной дисперсией /76/. Также преимущество данных планов состоит и в малом объеме вычислений, так как все коэффициенты регрессии определяются независимо друг от друга /114/.
Величина звездного плеча при ортогональном планировании будет равна /120/: при п = 3-ос = 1,215.
При ортогональном плане на число нулевых точек не на-кладываетя никаких ограничений, поэтому для сокращения экспериментальной работы применяют п0=1.
Для решения поставленной задачи был составлен план эксперимента, в котором назначены интервалы и уровни варьирования факторов (табл. 3.2).
За критерий оптимизации был принят tg угла наклона линии, характеризующей изменение соотношения компонентов смеси.
Исследования проводились на смеси, состоящей из гранул пластмассы и семян сорго. Для каждого опыта составлялась смесь с заданным соотношением компонентов, тщательно перемешивалась и контролировалось соотношение компонентов, определяемое при установившемся стационарном истечении смеси из бункера. строились графики зависимости изменения соотношения компонентов смеси в функции времени (рис. 22).
Анализ зависимости (рис. 22) показывает, что она может быть описана линейной функцией, вида
Угловой коэффициент Kp=b = tgs, характеризующий интенсивность расслоения и был принят за критерий оптимизации у.
Чем больше величина критерия оптимизации, тем больше угол наклона прямой, характеризующей расслоение смеси при истечении из бункера и тем, следовательно, больше расслоение смеси.
Описание поверхности отклика было выполнено уравнением второго порядка /76/, вида
Значимость коэффициентов регрессии расчитывалась по t -критерию с помощью выражения /120/
Коэффициент значим, если его абсолютная величина больше доверительного интервала.
Для проверки гипотезы об адекватности представления результатов полиномом второй степени вычисляется критерий Фи шера (F-критерий) по формуле III
Для того, чтобы принять гипотезу об адекватности, вычисленное значение F-критерия по формуле (3.12) должно быть меньше табличного.
Табличное значение F - критерия выбирается с числом степеней свободы числителя f4=N-n-l и с числом степеней свободы знаменателя f3=N(k-l).
Описание поверхности отклика
Для выявления степени влияния факторов на расслоение смеси был проведен трехфакторный эксперимент. В экстремаль ный эксперимент вошли факторы, полученные в результате про ведения априорного ранжирования факторов (площадь и форма выпускного отверстия бункера, соотношение компонентов сме си). .
Описание поверхности отклика было выполнено уравнением второго порядка вида (3.6) для трех факторов
После реализации матрицы планирования, представленной в табл. 4.1, были подсчитаны коэффициенты регрессии (3.7) и величины их доверительных интервалов (3.11), которые приведены в табл. 4.2.
Оценивая коэффициенты регрессии (табл. 4.2), видно, что все коэффициенты значимы и все они рассматриваются при дальнейшем анализе.
По найденным коэффициентам регрессии составляем уравнение регрессии второго порядка для описания поверхности отклика /76/
Адекватность модели второго порядка проверялась с помощью критерия Фишера (3.12) и дала хорошие результаты с 95%-ной вероятностью, так как
Следовательно, по критерию Фишера данная модель была принята.
Анализ поверхности отклика проводился с помощью двумерных сечений.
Для этого уравнение (4.3) подвергалось каноническому преобразованию /76/, которое в стандартной канонической форме имеет вид Y-0,658 = -0,1822z2+0,0575z2+0,0575z2. (4.5)
Каноническое уравнение (4.5) изучалось с помощью двумерных сечений.
Исследование влияния формы выпускного отверстия и его площади на расслоение смеси выполнялось при z,=0. Для получения этого сечения подставляем значение zl= 0 в уравнение
Определяем координаты центра поверхности дифференцированием уравнения (4.6) и решением системы уравнений
Подставляя значения z2S. и z3S в уравнение (4.6), получаем значение коэффициента расслоения Ys= 0,597.
Для проведения канонического преобразования уравнения (4.6), решим характеристическое уравнение
Собственными числами (корнями) данного характеристического уравнения будут: Вг2=0,0476; В3з- - 0,0364.
Само уравнение в канонической форме запишется
Правильность полученных вычислений подтверждается проверкой, то есть сравнением сумм коэффициентов при квадратичных членах 0,0476+(-0,Q364)=0,0112 0,0458+(-0,0346)=0,0112. Угол поворота осей координат в точке S найден по фор муле
Следует отметить, что так как угол поворота xs- положителен, то оси в центре поворачиваются против часовой стрелки. Подставляя различные значения Y в уравнение (4.9), получаем уравнения соответствующих контурных линий - гипербол, в совокупности представляющих целое семейство сопряженных гипербол (линий равного значения коэффициента расслоения смеси, истекающей из бункеров) (рис. 26).
Из анализа рис. 26 можно заключить, что оптимальной формой выпускного отверстия является, круглая, а увеличение коэффициента расслоения происходит при средних значениях площади выпускного отверстия и, Как следствие, его производительности.
Аналогичным способом были построены и оставшиеся два двумерных сечения.
С целью оценки влияния факторов соотношения компонентов смеси (Zj) и площади выпускного отверстия (z3) на расслоение смеси рассматривалось двумерное сечение поверхности отклика при z2 =0.
Линии равных уровней представляют собой эллипсы (рис. 27), соответствующие каноническому уравнению Y-0,667 = -0,0999zJ -0,0131z32 (4.11) с центром, расположенным вне поля эксперимента (z]S =1,264; z3S =1,767), угол поворота новых осей координат составляет а8=-2953 9,73\
Максимальное значение критерия оптимизации составляет 0,667.
Анализ данного двумерного сечения показывает, что расслоение смеси уменьшается при увеличении содержания компонента в смеси с меньшими размерами частиц и большей их плотностью по сравнению с другим компонентом.
Экономическая эффективность применения технических средств, позволяющих снизить расслоение смесей при их истечении из бункеров
Расслоение смесей минеральных удобрений оказывает существенное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Превышение допустимого расслоения смесей ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Предложенные технические средства уменьшают расслоение смесей на 23-31%, позволяя тем самым увеличить урожайность культур: устройство с упругими элементами снижает расслоение смесей на 31%; устройство с активным приводом - на 23%.
Большинство посеянных площадей занимают зерновые и зернобобовые (58,3%) культуры. Полученная урожайность основных культур хозяйства составляет: зерновые - 27,6 ц/га; подсолнечник - 12,4 ц/га.
Средняя цена реализации составляет: зерновые - 1176 р/тонну; подсолнечник - 3461 р/тонну.
Уменьшение расслоения смесей минеральных удобрений на 23% позволит увеличить урожайность культур на 18%, а уменьшение расслоения на 31% - на 25%. Из табл. 5.2 следует, что применение устройства с активным приводом дает экономическую эффективность в 1,36 тыс. руб./га, а применение устройства с упругими элементами - в 1,88 тыс. руб./га.
