Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы. цель и задачи исследований 14
1.1. Анализ средств механизации технологических процессов накопления, погрузки, транспортирования и внесения навоза 14
1.2. Анализ исследований физико-механических свойств навоза 26
1.2.1. Плотность 26
1.2.2. Коэффициенты внешнего и внутреннего трения 28
1.2.3. Сопротивление деформациям 32
1.3. Погрузчики непрерывного действия. Классификация и анализ существующих конструктивно-технологических схем 35
1.3.1. Обзор существующих конструктивно-технологических
схем погрузчиков непрерывного действия и их питателей 37
1.3.2. Классификация погрузчиков непрерывного действия 58
1.3.3. Классификация питателей погрузчиков непрерывного действия 64
1.4. Анализ процесса работы и технико-экономических показателей погрузчиков непрерывного действия и их питателей 68
1.5. Состояние научных разработок по исследуемой проблеме 14
1.6. Выводы, постановка проблемы. Цель и задачи исследований 86
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса работы питателей погрузчиков навоза 91
2.1. Критерии оптимизации процесса работы питателей 92
2.2. Конструктивно-технологические схемы питателей, адаптированных к условиям работы 95
2.3. Факторы эффективного функционирования погрузчиков 102
2.4. Кинематическое исследование рабочих органов питателей 104
2.4.1. Уравнение движения точки рабочих органов питателя 106
2.4.2. Исследование процессов отделения стружки 110
2.4.3. Длина траектории движения точки питателя при работе 115
2.5. Анализ взаимодействия рабочих органов с навозом 125
2.5.1. Силовой анализ работы винтового и шнекофрезерного питателей 125
2.5.2. Силовой анализ взаимодействия с навозом лопастного питателя 136
2.5.3. Силовой анализ работы фрезерношнекового питателя 144
2.6. Крутящий момент на валу рабочего органа 149
2.7. Производительность питателей и погрузчиков 151
2.7.1. Производительность отделения 151
2.7.2. Производительность транспортирования. 154
2.7.3. Производительность разгрузки 156
2.8. Потребляемая мощность и энергоемкость погрузки и отдельных операций 157
2.8.1. Мощность, необходимая для привода погрузчика 157
2.8.2. Мощность, необходимая для привода питателей погрузчиков навоза 158
2.8.3. Мощность, потребляемая винтовым и шнекофрезерным питателями 159
2.8.4. Мощность, необходимая для привода лопастного питателя 161
2.8.5. Мощность, необходимая для привода фрезерношнекового питателя 162
2.8.6. Энергоемкость работы 164
2.9. Выводы 165
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования взаимодействия рабочих органов питателей с навозом 167
3.1. Постановка экспериментальных задач 167
3.2. Анализ и структура входных факторов 168
3.3. Методика и результаты исследований прочностных свойств навоза 172
3.4. Методы и средства экспериментальных исследований 178
3.4.1. Технические средства проведения экспериментальных исследований 178
3.4.2. Планирование экспериментальных исследований, обработка и анализ результатов 184
3.4.3. Методика проведения опытов и получения экспериментальных данных 197
3.4.4. Программа и методика производственных испытаний 205
3.5. Влияние режимных параметров на силовые факторы взаимодействия питателей с навозом 208
3.5.1. Результаты исследований влияния режимных параметров винтового питателя на силовые факторы 208
3.5.2. Результаты исследований влияния режимных параметров шнекофрезерного питателя на силовые факторы 211
3.5.3. Результаты исследований влияния режимных параметров лопастного питателя на силовые факторы ...215
3.5.4. Результаты исследований влияния режимных параметров фрезернопшекового питателя на силовые факторы 218
3.6. Исследование процесса изменения мощности на привод рабочих органов питателей от режимных параметров 229
3.6.1. Исследование изменения мощности на привод винтового питателя от режимных параметров 230
3.6.2. Исследование влияния режимных параметров на мощность, необходимую для привода шнекофрезерного питателя 235
3.6.3. Исследование влияния режимных параметров на мощность, необходимую для привода лопастного питателя 240
3.6.4.Влияние режимных параметров на мощность, необходимую для привода фрезерношнекового питателя 241
3.7. Производительность и энергоемкость. Влияние скоростей взаимодействия рабочих органов питателей на производительность и энергоемкость 244
3.7.1. Производительность и энергоемкость винтового питателя 244
3.7.2. Производительность и энергоемкость шнекофрезерного питателя 245
3.7.3. Производительность и энергоемкость лопастного питателя 249
3.7.4. Производительность и энергоемкость фрезерношнекового питателя 254
3.8. Результаты экспериментальных исследований влияния конст
руктивных параметров на показатели работы питателей 255
3.8.1. Оптимизация процесса взаимодействия винтового питателя с навозом 256
3.8.2. Экспериментальное обоснование конструктивных параметров отделяющей части шнекофрезерного питателя 258
3.8.3. Исследование влияния конструктивных параметров на работу лопастного питателя 263
3.8.4. Обоснование диаметра фрезы фрезерношнекового питателя 268
3.9. Выводы 275
ГЛАВА 4. Теория подобия, применительно к питателям погрузчиков навоза 279
4.1. Общие предпосылки 280
4.2. Обоснование системы параметров 281
4.3. Критерии подобия питателей погрузчиков непрерывного действия 282
4.4. Определение масштабных коэффициентов физического моделирования 293
4.5. Критериальные зависимости 299
4.6. Анализ критериальных зависимостей 309
4.6.1. Анализ критериальных зависимостей винтового питателя 309
4.6.2. Анализ критериальных зависимостей шнекофрезерного питателя 313
4.6.3. Анализ критериальных зависимостей лопастного питателя 316
4.6.4. Анализ критериальных зависимостей фрезерношнекового питателя 321
4.7. Выводы 325
ГЛАВА 5. Технико-экономические показатели эффективности предлагаемых питателей 326
5.1. Исследование питателей в производственных условиях 326
5.2. Технико-экономическая эффективность процесса погрузки с применением предлагаемых рабочих органов 339
5.3. Выводы 345
Общие выводы 347
Список литературных источников 351
Приложения 375
- Анализ средств механизации технологических процессов накопления, погрузки, транспортирования и внесения навоза
- Конструктивно-технологические схемы питателей, адаптированных к условиям работы
- Результаты исследований влияния режимных параметров шнекофрезерного питателя на силовые факторы
- Определение масштабных коэффициентов физического моделирования
Введение к работе
Возделывание сельскохозяйственных культур является для почвы разрушающим фактором, и если не происходят процессы ее восстановления, то это разрушение может стать необратимым. Обеспечение воспроизводства плодородия земель сельскохозяйственного назначения закреплено законодательными актами Российской Федерации [1]. Главным источником восстановления плодородия почвы являются органические удобрения. Установление закономерностей функционирования агроэкосистем и их восстанавливаемости при проведении агротехнических мероприятий позволило по-новому оценить важность полной и своевременной утилизации и использования навоза, получаемого в животноводстве в качестве органического удобрения. Для сохранения и роста плодородия почв и обеспечения бездефицитного баланса гумуса необходимо довести внесение органических удобрений (навоза) в России до 1,5 млрд. т в год [121]. Реально в настоящее время внесение навоза на поля не превышает 0,5 т/га. При этом практически полного восстановления требует парк машин по внесению удобрений, защите растений, механизации трудоемких процессов [151,156]. Долговременной программой Министерства сельского хозяйства и продовольствия России и Россельхозакадемии, направленной на поддержку и развитие инженерно-технической сферы агропромышленного производства, определен ряд направлений, одним из которых является создание и оснащение сельхозтоваропроизводителей ресурсосберегающей техникой нового поколения [156].
В современном сельском хозяйстве основная масса органических удобрений - это навоз, образующийся на животноводческих фермах. Одной из главных причин низкого объема внесения навоза на поля является недостаточная эффективность используемых технических средств, что приводит к высокой стоимости работ, значительному возрастанию ресурсо- и энергопотребления. В общем объеме работ по утилизации и внесению навоза погрузка состав- ляет до ЗО.. .35 %. Применяемые погрузчики периодического действия ПФ-1,2; ГГГ-0,2; ПЭ-0,8Б; ПФП-1,2 и другие имеют недостаточную производительность: 90...120 т/ч, при высокой энергоемкости: до 1000 Дж/кг и более. Погрузчики непрерывного действия, из которых серийно до начала 90-х годов выпускался только ПНД-250А, имеют более высокую производительность, позволяют получать подготовленную к внесению массу без больших комков и посторонних включений. Однако и они имеют энергоемкость 500...700 Дж/кг и более; материалоемкость — 150...200 (кг/(кг/с). Это приводит к значительным затратам ресурсов на погрузку и возрастанию стоимости работ по внесению навоза. Недостаточная эффективность погрузчиков непрерывного действия объясняется несоответствием параметров их грузозахватных рабочих органов-питателей физико-механическим свойствам навоза и необоснованностью режимов их взаимодействия Нерешенность проблемы эффективной погрузки навоза не позволяет вносить его в требуемые агротехнические сроки с наименьшими потерями и затратами.
Таким образом, разработка и обоснование новых ресурсосберегающих конструктивно-технологических схем питателей к погрузчикам непрерывного действия, оптимизация их параметров в соответствии с физико-механическими свойствами навоза является актуальной проблемой, решение которой имеет важное народно-хозяйственное значение.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эффективности погрузчиков навоза путем разработки и оптимизации параметров и режимов работы новых ресурсосберегающих питателей.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Технологический процесс погрузки навоза, рабочие органы питателей погрузчиков и процессы их взаимодействия с навозом.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ. В качестве основных методик использовались: методика системных исследований, логика научных исследований, теория планирования эксперимента, методы физического и математического моделирования, математического анализа, теория подобия и размерностей. На этой основе были разработаны частные методики лабораторно-полевых исследований и производственных испытаний питателей навозопогрузчиков непрерывного действия, переноса результатов лабораторно-полевых исследований на производственные образцы рабочих органов различных типоразмеров питателей.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА: на основе исследований физико-механических свойств навоза и процессов взаимодействия с ним рабочих органов погрузчиков разработаны новые конструктивно-технологические схемы ресурсосберегающих питателей; получено математическое описание, характеризующее рабочие органы питателей как движущуюся механическую систему, учитывающее вид и характер движения, конструктивные и режимные параметры; разработаны математические модели, описывающие систему «питатель погрузчика - навоз» и характеризующие влияние комплекса эксплуатационных, конструктивных, режимных факторов и физико-механических свойств навоза на силовые и качественные критерии оптимизации: силы взаимодействия рабочих органов с навозом, крутящий момент на валу, мощность привода питателя, производительность и энергоемкость; обоснован способ воздействия рабочих органов погрузчика, обеспечивающий отделение навоза деформацией, которой оказывается наименьшее сопротивление и создающий научные предпосылки для совершенствования существующих и разработки новых конструктивно-технологических схем питателей; получены вероятностно-статистические математические модели, позволяющие определять энергетические и качественные показатели работы погрузчиков при различных конструктивных и режимных параметрах; оптимизированы, аналитически обоснованы режимные и конструктивные параметры рабочих органов предлагаемых конструктивно-технологических схем; разработаны положения теории подобия применительно к питателям, позволяющие осуществлять переход к различным типоразмерам рабочих органов и обосновывать их параметры.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ: Результаты исследований позволяют решить важную проблему ресурсосбережения при своевременной и эффективной погрузке навоза с одновременной подготовкой к внесению, создать научно-обоснованные направления совершенствования существующих и разработки новых конструктивно-технологических схем питателей погрузчиков навоза.
Применение результатов исследований обеспечивает сокращение при погрузке затрат труда на 20...55 %, затрат энергии на 19...30 %. Созданные рабочие органы позволяют погрузчикам непрерывного действия осуществлять погрузку практически всех видов твердого и полужидкого навоза, образующегося на фермах.
Полученные математические модели и выражения позволяют определять энергетические и качественные показатели работы, обосновать основные конструктивные и режимные параметры рабочих органов погрузчика.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты исследований одобрены и использованы Всероссийским научно-исследовательским и проектно-технологическим институтом по исследованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ВИИТиН, г. Тамбов) при разработке средств удаления и погрузки навоза. Малые серии погрузчиков с предлагаемыми питателями выпущены научно производственным центром «Волгоагротехника» (г. Саратов), Красноармейским механическим заводом Саратовской области, ООО «Техносалт» (г. Самара). Погрузчики с разработанными рабочими органами внедрены в хозяйствах Саратовской, Волгоградской, Самарской областей.
Материалы исследований использованы в рекомендованных Министерством сельского хозяйства РФ для студентов ВУЗов по агроинженерным специальностям учебнике «Проектирование и расчет подъемно-транспортирующих машин сельскохозяйственного назначения», выпущенном издательством «Колос», учебном пособии «Гидропривод сельскохозяйственных погрузочных и транспортных машин», учебном пособии для курсового и дипломного проектирования «Физико-механические и погрузочные свойства сельскохозяйственных грузов» для студентов специальностей 31.13.00 «Механизация сельскохозяйственного производства», которые используются в учебном процессе сельскохозяйственных ВУЗов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской работы за 1988...2001 год Саратовского государственного аграрного университета им. Вавилова; на Юбилейной конференции Московского государственного агроинженерного университета им. Го-рячкина (Москва, 1993 г.); на Международной научно-практической конференции в ВИМе «Сельскому хозяйству — техническое обеспечение 21 века» (Москва, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Московского государственного аграрного университета им. Горячкина (Москва, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции в Кубанском ГАУ (Краснодар, 2001 г.); на Поволжской межвузовской конференции в Самарской ГСХА «Совершенствование машиноис-пользования и технологических процессов АПК» (Самара, 2001 г.); на научно-технической конференции в Челябинском ГАУ в 2002 году; на Международной научно-практической конференции в ВИМе «Развитие приоритетов машинного обеспечения растениеводства» (Москва, 2002 г.). Материалы диссертации доложены и одобрены на научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства и продовольствия Саратовской области в 2002 году и на научно-технических Советах института механизации и электрификации СГАУ им. Вавилова в 1999, 2001 и 2002 году.
ПУБЛИКАЦИЯ. По теме диссертационной работы опубликовано 40 печатных работ, в том числе 7 патентов и авторских свидетельств, 1 учебник и 2 учебных пособия, 9 статей в центральной печати. Общий объем публикаций 46,78 печатных листа, из них лично автору принадлежат 10,24 печатных листа. В работе использованы материалы и результаты исследований автора и результаты, полученные совместно с сотрудниками кафедры «Детали машин и ПТМ» СГАУ им. Вавилова/
НА ЗАЩИТУ выносятся следующие НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: теоретическое обоснование конструктивно-технологических схем питателей погрузчиков навоза; математические модели движения, процессов взаимодействия рабочих органов питателей с навозом и построенные на их основе аналитические выражения для определения силовых и качественных показателей рабочего процесса, с учётом комплекса конструктивных, режимных, эксплуатационных факторов и физико-механических свойств навоза; экспериментальные зависимости и вероятностно-статистические модели, позволяющие определять величину производительности, мощности и энергоемкости при различных значениях конструктивных и режимных параметров рабочих органов; результаты теоретической и экспериментальной оптимизации параметров; критериальные уравнения связи параметров, масштабные коэффициенты и уравнения, позволяющие переходить от одних типоразмеров питателей к другим, обосновывать конструктивные и режимные параметры в соответствии с требуемой производительностью и энергоемкостью погрузчика. * В решении отдельных вопросов, в основном связанных с проведением экспериментальных исследований, принимали участие аспиранты Н.В. Хитрова, Г.В. Левченко, P.P. Хакимзя-нов, работавшие под научным руководством автора.
Анализ средств механизации технологических процессов накопления, погрузки, транспортирования и внесения навоза
В современном сельском хозяйстве основная масса органических удобрений образуется на животноводческих фермах и комплексах. Технология использования органического удобрения во многом определяется видом полученного на фермах навоза. Физико-механические свойства, обуславливающие вид навоза, зависят от способа содержания животных и принятой системы удаления.
Конструктивно-технологические схемы и параметры рабочих органов погрузчиков проектируются с учетом состава и физико-механических свойств образующегося навоза. Факторы, влияющие на свойства получаемого навоза, можно разделить на технологические и технические. Технологические факторы связаны с принятой системой содержания животных и особенностями производственных процессов на конкретной ферме. Технические факторы определяются средствами механизации производственных процессов и характером воздействия рабочих органов на технологический материал.
Принятый способ содержания животных: привязный и беспривязный связан с видом и назначением фермы [3, 4, 9, 16, 21] . Привязный применяется, в основном, на фермах КРС для дойного стада и в родильных отделениях. Беспривязный, в большей степени, характерен для ферм-откормочников, ферм для молодняка КРС. Влияние способа содержания на физико-механические свойства навоза связано с возможным воздействием животных. При беспривязном содержании навоз уплотняется животными, и уже на начальном этапе накопления приобретает значительные прочностные свойства.
Содержание животных на фермах и комплексах так же разделяют на выгульное и безвыгульное [3, 4, 21]. Выгульное предусматривает кормовыгуль-ные дворы или выгульные площадки. На них скапливается до 25...30 % всего навоза, образующегося на ферме. Очень часто для уборки выгульных площадок не предусматривается никаких средств. Физико-механические свойства такого материала обуславливаются наличием примесей земли, растительных остатков корма, а также уплотнением животными и высыханием с течением времени.
Важнейшим технологическим фактором, влияющим на образование навоза, является вид содержания животных по наличию подстилки: подстилочный и бесподстилочный. Наличие подстилки (соломы, торфяной крошки, опилок и т.д.) значительно изменяет свойства навоза - влажность, плотность, коэффициенты трения, сопротивление деформациям. Кроме того, увеличиваются взаимосвязи, т.е. возрастает связность навоза, что также необходимо учитывать при проектировании параметров и конструкции средств его удаления и погрузки. Подстилочное содержание разделяют на сменной и несменяемой подстилке [3, 4, 21]. Навоз на сменной подстилке не успевает значительно уплотниться и высохнуть, однако удаление такого материала из помещений фермы возможно только с помощью механических способов, поскольку гидравлические способы при наличии подстилки не эффективны. При содержании на несменяемой (глубокой) подстилке каждый новый слой соломы или опилок укладывается 1 -2 раза в неделю поверх старого. Уборка производится 1 -2 раза в год с помощью мобильных навозоуборочных средств - бульдозера или специальных агрегатов, навешиваемых на трактор или спецшасси. Навоз при этом представляет сильно уплотненную массу, требующую больших затрат энергии при удалении из помещения и дальнейшем использовании. Данный способ содержания характерен для овцеводческих ферм, для ферм КРС он находит меньшее применение, и, кроме того, требует достаточного количества подстилочного материала [3,21].
Бесподстилочное содержание известно на сплошных и щелевых полах [4, 14, 21]. Большинство ферм КРС имеют сплошные полы. При этом навоз накапливается и удаляется с заданной периодичностью непосредственно с поверхности полов. Содержание на щелевых полах в большей степени характерно для свиноводческих ферм и комплексов. При щелевых навоз с поверхности пола попадает в канал или подпольное навозохранилище. Из каналов удаление производится транспортером или с помощью гидравлических систем удаления. Для удаления навоза из подпольных навозохранилищ используют мобильные погрузчики и электромобильные навозоуборщики [4, 5, 9, 14] . В обоих вариантах для щелевых полов навоз имеет высокую влажность (86. ..96 % и более), что определяет конструкцию и параметры средств для его погрузки и дальнейшего использования.
Периодичность удаления навоза из помещений и прифермской территории может колебаться в зависимости от вида и назначения фермы от нескольких раз в день до нескольких раз в год. Первая периодичность имеет место при использовании стационарных транспортеров ТСН-2,0; ТСН-2,0Б; ТСН-3,0; ТСН-330Б; КСН-Ф-100; ТОМ 60; ТСН-160А; ТС-1,0; ТШ-30А; скреперных установок УС-10; УС-15; УС-250 и других, а так же при использовании гидравлических систем удаления. Вторая - при содержании животных на глубокой подстилке и уборке бульдозером или мобильными агрегатами [3,4]. Для физико-механических свойств навоза периодичность удаления является важным фактором, поскольку с течением времени в навозе происходят структурные изменения, он теряет влажность и уплотняется, приобретая более высокие прочностные свойства.
К технологическим факторам относится и принятая на ферме система уборки навоза; механическая, гидравлическая или комбинированная. Гидравлический способ уборки, включающий самотечную или смывную системы приводит к образованию навоза высокой влажности (более 88 %) или навозных стоков (влажность более 97 %) , с ярко выраженными свойствами жидкости. Поэтому для накопления, погрузки и транспортировки используют насосы, трубопроводы, контейнеры или средства разделения на фракции, с последующим использованием каждой фракции в отдельности [3,4,9] . Уборка навоза механическими средствами имеет две разновидности: стационарными транспортерами и установками, мобильными агрегатами. К стационарным относятся транспортеры типа ТСН, ТС, ТШ и другие, скреперные установки УС, УСФ и ряд других. Работают как на подстилочном, так и на бесподстилочном навозе, влажность которого обычно менее 90 % [9]. Мобильные агрегаты: АМН-Ф-20, бульдозеры БН-1, БН-1В, БСН-1,5 и другие применяют для удаления подстилочного и бесподстилочного навоза из проходов и полов помещений ферм, выгульных площадок, кормовыгульных дворов [4, 7, 9, 14, 21] . Получаемый навоз имеет, как правило, влажность менее 86 % и обладает свойствами твердого тела: коэффициентами трения, сопротивлением деформациям.
Конструктивно-технологические схемы питателей, адаптированных к условиям работы
На основании анализа конструкций сельскохозяйственных погрузчиков, и погрузчиков применяемых в других отраслях народного хозяйства, как отечественного, так и зарубежного производства можно систематизировать основные признаки и составить классификацию (рис.1.21). Классификации ПНД составлялись и ранее [36, 44, 45, 46, 49, 51]. Однако они не всегда полностью обобщали накопленный опыт и часто не содержали всех необходимых признаков.
По исполнению погрузчики непрерывного действия могут быть навесные (ПНД-45, ПДТ-1,5, СПУ-40М, ПНД-250А и др.), полунавесные (ковшовые погрузчики конструкции СИМСХ И УНИИМЭСХ), и на спецшасси (Д-452, ЭПФ-3, КО-203, Д-460 и др.). Навесные погрузчики в сельскохозяйственном производстве предпочтительнее, из-за возможности использования базового трактора на других видах работ. В тоже время спецшасси позволяют проектировать погрузчики с наилучшим расположением рабочего оборудования, которое трудно осуществить при использовании трактора.
По назначению погрузчики непрерывного действия разделяют на специальные и универсальные. Последние применяют для погрузки нескольких видов грузов. Погрузчики навоза относятся к специальным, что связано с большим отличием физико-механических свойств навоза от других грузов.
Ходовая часть (база) погрузчиков: колесная (погрузчики Д-452, УП-66, КО-205, ПСС-5,5, и др.) или гусеничная (СПУ-40М, ПНД-45, ПНД-250А, ЭПФ-3 и др.) должна обеспечить хорошую проходимость, возможность работы погрузчика в любое время года, иметь требуемую рабочую и транспортную скорость.
Анализ конструкций показывает, что в настоящее время в качестве источника энергии ПНД используются два вида двигателей: электрические и двигатели внутреннего сгорания. При использовании ДВС привод рабочих органов осуществляется от вала отбора мощности. По способу передачи движения от ВОМ к рабочим органам привод может быть механическим или гидравлическим. Электропривод более компактен и экономичен, однако его применение возможно только вблизи источников электроэнергии, что практически исключается для мобильных машин, постоянно меняющих рабочую позицию. Электропривод применен в погрузчике ЭПФ-3, работающем в подпольном навозохранилище.
Важнейшими показателями компоновки погрузчика является расположение основного рабочего оборудования - питателя и отгрузочных транспортеров. Расположение грузозахватной системы — питателя может быть передним, которое подразделяют на фронтальное симметричное и фронтальное несимметричное; боковым; задним; которое также подразделяется фронтальное симметричное и несимметричное. Переднее расположение питателя обеспечивает хорошие условия работы оператору, маневренность погрузчика и наиболее полное использование тягового усилия базовой машины. Симметричное фронтальное, относительно оси трактора или спецшасси, расположение является более предпочтительным, т.к. создает равномерную нагрузку на ходовую часть погрузчика. Такую компоновку имеют погрузчики Д-452, ПНД-250, Д-566, УП-66, ЭПФ-3 и др. Однако при этом создаются определенные конструктивные сложности с расположением отгрузочного оборудования. Несимметричное фронтальное расположение питателя имеют погрузчики НП-100, ТП-1 и др.. Такое расположение создает поворачивающий момент вокруг вертикальной оси погрузчика, что обуславливает повышенную нагрузку на одну сторону ходовой части. Преимуществом такой схемы является возможность бокового расположения отгрузочного транспортера, что особенно важно для навесных погрузчиков. Боковое расположение питателя использовано в некоторых экспериментальных погрузчиках. Недостатки этой схемы: увеличение размеров и громоздкость погрузчика, сложность монтажа и привода. Заднее фронтальное симметричное расположение использовано в ранее выпускавшихся серийно погрузчиках СҐГУ-40М, ПДТ-1,5, ПНД-45, некоторых экспериментальных образцах. Несимметричное - главным образом в опытных погрузчиках: веерном и роторно-ковшовом конструкции СИМСХ, УНИИМЭСХ, шнекофрезерном конструкции ВИМ и других. Заднее расположение позволяет осуществить более простой привод от ВОМ трактора. Однако, такая схема установки питателя усложняет управление работой погрузчика, делает более громоздкой компоновку отгрузочного оборудования. Наиболее перспективным следует считать переднее фронтальное расположение питателя.
По типу питателя, связанному с его принципом действия, погрузчики непрерывного действия могут быть роторные (роторно-ковшовые погрузчики конструкции УНИИМЭСХ, СИМСХ, лопастной ЭПФ-3, шнекороторные погрузчики УП-66, ДЭ-204; 220; 902 и др.), транспортерные (ЗПС-60, ЗПС-100, НУМЗ-3, погрузчик с веерным питателем конструкции СИМСХ и другие), фрезбарабанные (СПУ-40М, шнекофрезерные погрузчики ПДТ-1,5,ПНД-250, ПНД-45 и др.), рычажные (лаповые погрузчики КО-203, КО-205, ТП-1, погрузчик с питателем клавишного типа и др.)» отвальные (погрузчик ПН-100). Тип питателя определяется назначением погрузчика и видом груза, с которым работает погрузчик. Транспортерные типы питателей; скребковый (ЗПС-60), винтовой (ЗПС-100) применяют для сыпучих и слабо связных грузов - зерна, комбикорма, песка. При работе с плотными и связными материалами - навозом, силосом, грунтом в конструкцию транспортерного питателя включают специальные разрушающие или режущие элементы: пальцевую гребенку (веерный питатель), подрезающие сегменты и сгребающие штифты (ПСС-5,5), режущие зубья (пилошнековый рабочий орган). Роторные питатели захватывают груз при вращении ротора, снабженного ковшами, лопастями или шнеком. В ряде исследований отмечается возможность высокой энергонасыщенности и производительности роторных рабочих органов [45, 52, 55]. Однако отмечается также сложность конструкции и большая масса. Барабанные или фрезерные питатели оснащены наряду с грузонесущими так же специальными отделяющими или разрушающими элементами: зубьями, пальцами, сегментами. Последние разрушают внутренние связи груза. Затем отделенные части захватываются транспортирующими органами питателя. Рычажные питатели захватывают груз при возвратно-поступательном движении рабочего органа — лапы, пальцевой гребенки, лопасти. Питатели такого типа перемещают груз к отгрузочному транспортеру, сдвигая его от основного массива. Отвальные питатели не имеют активного движущегося рабочего органа, а используют тяговое усилие трактора. Захват груза происходит за счет поступательного движения погрузчика. Отвал специальной формы отделяет и направляет груз на отгрузочный транспортер. В сельскохозяйственных погрузчиках непрерывного действия такая конструктивная схема применена только в ПН-100. В дальнейшем она распространения не получила из-за невысокой производительности, необходимости большого напорного усилия и невозможности работы с буртами груза большой высоты.
Результаты исследований влияния режимных параметров шнекофрезерного питателя на силовые факторы
К силовым факторам взаимодействия с навозом при работе питателей относятся крутящий момент на валу рабочего органа и усилие внедрения, необходимое для поступательного движения питателя и внедрения его в груз. Как показывает анализ рабочего процесса, проведенный при теоретических исследованиях (глава 2), крутящий момент на валу рабочего органа связан с усилиями на рабочих элементах, необходимыми для разрушения внутренних связей навоза и захвата его частей, с усилиями на элементах питателя, транспортирующих части навоза к месту разгрузки питателя (к отгрузочному транспортеру). Усилие внедрения питателя преодолевает реакции со стороны навоза, возникающие при поступательном (напорном) давлении рабочих органов. Проведенные исследования показывают большое влияние соотношения режимных параметров на силовые показатели работы питателей.
Оценка рабочего процесса винтового питателя, его работоспособности и оптимизация параметров проводилась при следующих конструктивно-технологических параметрах (масштабный коэффициент KL =2,5): диаметр винта по наружной кромке или по крайним точкам режущих зубьев: в =0,36 (м); угол наклона винтовой линии к горизонту =60 (град); высота слоя навоза 60...80 (мм), за исключением ряда опытов по сдвигу и резанию навоза винтовой поверхностью где высота слоя составляла 160...200 (мм) (рис. 3.23). Все конструктивно-технологические данные принимались, исходя из предварительных исследований погрузчика "УП-66" [10] и являлись результатом решения критериальных уравнений связи параметров (глава 4). Для исследований использовался навоз непосредственно с территории ферм и перед каждым опытом контролировались его физико-механические свойства.
Угловая скорость определяет производительность У в рабочего органа по захвату и перемещению навоза. Поступательная скорость в направлении груза
определяет производительность подачи Уп (кг/с). Анализ полученных зависимостей показывает, что соотношение между угловой и поступательной скоростью обуславливает различное протекание процесса. Подача винта осуществлялась с поступательной скоростью =0,088 м/с; 0,106 м/с; ОД 16 м/с; 0,134 м/с. Угловая скорость изменялась в пределах от 2,2 до 6,2 (рад/с).
Изменение крутящего момента (рис. 3.24) в зависимости от угловой скорости винта объясняется различным заполнением межвиткового пространства. Если производительность винта недостаточна для отгрузки поступающего к питателю навоза, происходит забивание винта. Работа питателя в этом случае напоминает работу бульдозерного отвала. Межвитковое пространство заполняется полностью и дополнительно подпрессовывается поступающей массой навоза. Крутящий момент в этом случае растет. С увеличением угловой скорости уменьшается заполнение межвиткового пространства, облегчается процесс забора, транспортирования и разгрузки винта. Крутящий момент снижается. Однако, снижение крутящего момента носит нелинейный характер. При дальнейшем увеличении & (для данного винтового питателя более 5 рад/с) снижение крутящего момента незначительно. Это объясняется увеличением скоростей разрушения связен забираемой части груза с основным массивом, ростом ускорений и появлением ударных взаимодействий.
Изменение усилия внедрения (рис. 3.25) при различных угловых скоростях винта обусловлено изменением площади внедрения. При угловой скорости, не обеспечивающей достаточной производительности для отгрузки поступающего материала, происходит забивание винта. Навоз скапливается в межвитковом пространстве и перед питателем, что приводит к росту усилия внедрения. С увеличением в) уменьшается заполнение межвиткового пространства и, соответственно, площадь внедрения. Усилие внедрения снижается. При больших угловых скоростях (& 5 рад/с) увеличивается динамическая площадь внедрения винтовой поверхности в слой груза, растут реакции со стороны груза из-за роста скоростей взаимодействия.
Исследование влияния режимных параметров на крутящий момент и усилие внедрения шнекофрезерного питателя проводилось по разработанному двухфакторному плану эксперимента (аналогичному таблице 3.3). Рабочий орган питателя (KL =2,5) имел диаметр по наружной образующей винтовой поверхности -0,36 м, диаметр по режущим зубьям =0,39 м, угол подъема винтовой поверхности а=60 градусов, параметры режущих зубьев: угол атаки
У -96 градусов, угол заточки Р = 15 град., толщина зуба 0=4 мм. В результате обработки полученных данных были построены уравнения регрессии: - для крутящего момента:
Определение масштабных коэффициентов физического моделирования
Целью исследований энергоемкости являлось определение оптимальной области, в которой режимные параметры обеспечивают заданную производительность питателя с наименьшими затратами энергии на выполнение рабочего процесса. Анализ полученной математической модели и ее графической интерпретации показывает наличие выраженной области оптимума. Минимум функции Е(а ; v) достигается при со = 16,0 х 0,0854 + 3,5 = 4,9 и v = 0,0854. Значение энергоемкости при этом составляет 84 Дж/кг. Движение в любом направлении от области оптимума дает рост энергоемкости с большей или меньшей интенсивностью. Рост энергоемкости связан с теми же причинами, которые приводят к росту крутящего момента и мощности (п 3.5;3.6.) и снижению производительности (п.3.7).
При изменении соотношения режимных параметров меньше оптимально ного, т.е. opt пропускной способности роторов не хватает для отгрузки всего подаваемого на них материала. Питатель забивается поступающим навозом и происходит значительное увеличение крутящего момента и приводной мощности, что обуславливает рост энергоемкости. С увеличением угловой скорости растет пропускная способность роторов и при постоянной поступательной скорости весь поступающий навоз перерабатывается. Соотношение скоростей изменяется в сторону увеличения, крутящий момент на валу ротора и приводная мощность снижаются. При достижении соотношения скоростей равного оптимальному затраты энергии на единицу переработанного навоза минимальны. При изменении соотношения скоростей больше оптимального, т.е. opt рост момента и приводной мощности происходит более интенсивно, чем рост производительности. Энергоемкость вновь возрастает. Следовательно, для каждого лопастного питателя с заданными конструктивно-технологическими параметрами существует оптимальное соотношениє поступательной и угловой скоростей, обеспечивающее минимальные затраты энергии на выполнение рабочего процесса с заданной производительностью. Для исследуемого лопастного питателя оптимальная область заключена между значениями поступательной скорости =0,08...0,1 (м/с) и значениями угловой скорости 4,4...6,0 (рад/с). Энергоемкость при этом составляет 80...130 Дж/кг. Оптимальное соотношение составляет 55...60, при производительности подачи 5...7 кг/с. Переход к другим значениям конструктивно-технологических параметров должен осуществляться на основе критериальных уравнений связи параметров. При экспериментальных исследованиях фрезерношнекового питателя поступательная скорость согласно плана оставалась неизменной, следовательно неизменной оставалась производительность подачи п, определяемая по формуле (3.34). Поскольку фактическая производительность питателя не может быть выше п, то на протяжении исследований производительность рабочих органов принимали равной производительности подачи п. В этом случае энергоемкость (формула 3.32) имеет зависимость от режимных параметров, аналогичную зависимости приводной мощности (п.3.6.4) и оптимальные значения режимных параметров, соответствующие оптимальным значениям при исследовании приводной мощности. Величина энергоемкости в области оптимума составила 169 Дж/кг. Таким образом, поведенные исследования позволили получить экспериментальные значения оптимальных режимов работы для исследуемых питателей. Определены значения производительности и энергоемкости, соответствующие оптимальным соотношениям угловой и поступательной скорости. Сравнение с теоретическими зависимостями позволяет сделать вывод о схожей математической природе в виде степенных функций. Полученные результаты подтверждают теоретические зависимости силовых и качественных показателей от режимных параметров. 3.8. Результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров на показатели работы питателей. Для исследования среди всех конструктивных факторов (таблица 3.1) были выбраны те, которые непосредственно влияют на процесс захвата груза питателем. Работа питателя включает в себя три одновременно и непрерывно происходящих процесса: отделение и захват частей навоза, транспортирование и разгрузку. Анализ рабочих процессов показал, что высокая энергоемкость питателей при работе с навозом связана именно с большими силовыми факторами при отделении. Рабочими элементами, осуществляющими отделение частей груза от основного массива являются режущие зубья, кромки, элементы, установленные на поверхности лопастей, шнека, винтовой ленте. От соответствия их параметров физико-механическим свойствам навоза наряду с оптимизацией режимов работы, зависит эффективность работы питателя.
