Содержание к диссертации
Введение
Агротехнические и технологические требования при заготовке кормов 7
Анализ конструкций кормоуборочных комбайнов 9
Анализ исследований процесса транспортирования измельченной кормовой массы 15
1. Движение материала из кожуха в горловину трубопровода 16
2. Движение материала в трубопроводе 19
3. Движение материала по дефлектору 25
Аналитическое исследование транспортирования измельченной массы в роторном измельчающем аппарате комбайна 31
Критическая скорость бесподпорного резания 31
Расчет параметров роторного измельчающего аппарата 33
Аналитическое исследование транспортирования измельченной массы 39
Аналитическое исследование аэродинамического тракта кор-моуборочного комбайна 49
Исследование аэродинамической системы комбайна методом планирования эксперимента 60
Методика проведения эксперимента 60
Метод планирования эксперимента 69
Выбор модели 70
Обоснование области определения факторов математической модели эксперимента 73
Получение математической модели объекта 78
3.6. Компыотерный анализ регрессионных уравнений воздушного напора 80
3.7. Анализ поверхности отклика на экстремум 84
4. Разработка конструкции кормоуборочного комбайна ПН-420 89
4.1. Обоснование рекомендаций по рациональному проектированию конструкции аэродинамического тракта комбайна 89
4.2. Описание конструкции комбайна ПН-420 92
4.3. Лабораторно - полевые испытания комбайна ПН-420 96
4.3.1. Условия испытаний 97
4.3.2. Результаты лабораторно-полевых испытаний комбайна ПН-420 98
5. Технико- экономический анализ работы кормоуборочных комбайнов 101
5.1. Реализация результатов исследования 101
5.2. Экономический анализ работы кормоуборочных комбайнов КИР-1,5Б и ПН-420 101
Общие выводы 110
Список использованной литературы 112
- Анализ конструкций кормоуборочных комбайнов
- Движение материала в трубопроводе
- Расчет параметров роторного измельчающего аппарата
- Обоснование рекомендаций по рациональному проектированию конструкции аэродинамического тракта комбайна
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время сельское хозяйство страны находится па новом этапе своего развития, который характеризуется появлением сельскохозяйственных товаропроизводителей с различным уровнем товарной и финансовой состоятельности, внедрением в сферу производства рыночных отношений, повышением роли регионов в решении своих социально-производственных проблем. Кормопроизводство является одной из важнейших отраслей агропромышленного комплекса Российской Федерации, темпы и научно-технический уровень развития которого во многом определяют решение продовольственной программы страны, удовлетворение потребностей населения в продовольствии. Основными видами кормов в рационах скота являются зелёная подкормка, сенаж, сено в измельчённом виде, силос.
Важное место в комплексе технологических средств для заготовки кормов занимают агрегаты (трактор, комбайн, прицеп) с роторными кормоубо-рочными комбайнами. Повышение их производительности является актуальной задачей производства сельскохозяйственной техники.
Цель работы
Оптимизация параметров процесса транспортирования измельчённой массы в роторном кормоуборочном комбайне для увеличения скорости её движения по силосопроводу, улучшения равномерности распределения массы по кузову транспортного прицепа, и повышение производительности агрегата.
Задачи исследования
Задачами исследования являлись:
-
Повышение скорости движения частиц измельченной массы с различными скоростями витания с момента их срезания до погрузки в транспортный прицеп.
-
Повышение загрузки транспортного прицепа измельченными кормами за счет их более равномерного распределения и укладки в кузове.
-
Разработка математических моделей движения частиц измельченной массы и воздушного потока в роторном кормоуборочном комбайне.
-
Обоснование рекомендаций по проектированию конструкции роторного кормоуборочного комбайна.
Объект исследований
Исследованию подлежали процессы швыркового и пневматического
транспортирования измельчённой массы и опытные образцы роторного кор
моуборочного комбайна с различными вариантами конструкций конфузора,
силосонровода, дефлектора. J рос '<' v 7>- \ ""}
I V ' ':нКА I
Методика исследований
Аналитические исследования базировались па методах теоретической механики и моделирования. Экспериментальные исследования и полевые испытания указанных объектов выполнены с использованием методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов измерений, стандартных и специальных методик, общегосударственных стандартов.
Научная новизна
Научную новизну работы составляют:
математические модели движения частиц измельченной массы по стенкам конфузора, позволяющие определить скорость их движения от окружной скорости ротора и углов наклона стенок конфузора;
математические модели воздушного потока в силосопроводе комбайна, позволяющие определить скорость потока от числа оборотов ротора, зазора между лезвием ножа и противорежущей пластиной, формы и размеров сечения силосопровода, формы и сочетания размеров площадей переходных отверстий конфузора и силосопровода, площадей отверстий в боковых стенках конфузора для дополнительного притока воздуха;
значения конструктивных параметров аэродинамического трак га комбайна.
Научно-практическая ценность
Практическую ценность работы составляют:
расчеты и результаты экспериментальных исследований распределения воздушных потоков в комбайне, позволившие получить оптимальные параметры системы транспортирования измельченной массы;
инженерные расчеты основных элементов роторного кормоуборочно-го комбайна;
рекомендации по проектированию роторного кормоуборочного комбайна;
конструкция системы транспортирования измельченной массы.
Реализация результатов работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, технологические и конструктивные схемы и параметры основных элементов конструкции реализованы в роторном специализированном кормоуборочном комбайне ПН-420 «Простор» с усовершенствованной системой транспортирования измельченной массы, выпускаемом ОАО «Тульский комбайновый завод».
За период с 2000 по 2004 годы в хозяйства агропромышленного комплекса Российской Федерации реализовано 186 единиц комбайнов.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях Тульского Государственного университета (ТулГУ) в 2002, 2003, 2004 годах, на семинарах-совещаниях в Республике Татарстан (2001 год), в городе Иркутске (2003 год), ОАО "Тульский комбайновый завод" (2004 - 2005 годы), Тульский НИИСХ (2005 год), ОАО "ВИС-ХОМ" (2005 год).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи, общим объемом 1,4 печатных листа, лично автором 0,9 печатных листов.
Объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и списка литературы, включающего 49 наименований. Работа изложена на 117 страницах основного текста, включающих 31 рисунок, 13 таблиц, и приложения на 39 страницах.
На защиту выносятся:
- математическая модель аэродинамического процесса швырково-
пневматической системы транспортирования измельчённой массы по конфу-
зору, силосопроводу и дефлектору;
регрессионные уравнения скорости воздушного потока в сечениях си-лосопровода;
конструктивные параметры системы транспортирования измельченной массы;
практические результаты и методики по рациональному проектированию конструкции роторного кормоуборочного комбайна; конструкция комбайна ГШ-420 «Простор»;
результаты полевых испытаний кормоуборочного комбайна ПН-420.
Автор выражает благодарность и признательность за помощь и консультации, оказанные в процессе выполнения работы профессору д.т.н. Особову В.И., профессору д.т.н. Вальтеру А.И., к.т.н. Кузнецову Н.В , к.т.н. Фрегеру Ю.Л.
Анализ конструкций кормоуборочных комбайнов
Кормоуборочные комбайны - специализированные машины, выполняющие ряд технологических операций, таких как скашивание (подбор) травостоя, его измельчение, транспортирование измельченной массы в транспортное средство. Кормоуборочные комбайны используются практически при заготовке всех видов кормов. Различают следующие основные виды кормов: зеленая подкормка; растительный материал для заготовки муки и гранул; сенаж; силос; сено в измельченном виде. Одной из наиболее распространенных машин для заготовки зеленой подкормки является прицепной комбайн КИР - 1,5Б. В последнее время машина начала также использоваться при заготовке сенажа, силоса, при приготовлении сена в измельченном виде.
Заготовка зеленой подкормки - чаще всего осуществляется кормоубо-рочными комбайнами небольшой (средней) производительности. Технологический процесс предусматривает одновременно со скашиванием растительной массы ее измельчение. Измельчение должно обеспечивать лучшую транспортабельность срезанной растительной массы и удобство ее раздачи при скармливании животным.
К качеству зеленой подкормки предъявляются следующие требования: для молочного стада необходимо, чтобы длина измельченных растений не превышала бы 130... 170 мм, поскольку при большей длине резки ухудшается транспортабельность массы; для подкормки молодняка в первые месяцы его развития целесообразно использовать несколько более измельченную массу с длиной растений 30. ..60 мм, однако в этом случае резко увеличиваются потери кормов при скармливании. Ежегодно заготавливается около 40 млн. т зеленой подкормки, для чего необходимо иметь в парке 120... 130 тыс. машин.
Заготовка и приготовление сенажа требует применения специальных технологий. Сенаж - корм, растительная масса, приготовленная из трав, убранных в ранние сроки вегетации, провяленных до влажности 45...55% и сохраняемых в анаэробных условиях.
Создание анаэробных условий хранения сенажа - основное условие его сохранности. Это достигается тщательным уплотнением измельченного растительного материала, предварительно провяленного до влажности 45...55%, и его изоляцией в кормохранилищах от внешней среды. В сенаже, заложенном на хранение, сахар, содержащийся в растительной массе, частично сбраживается, что обуславливает его относительно слабую кислотность (рН 5). В сенаже образуется в основном молочная кислота, достигающая 78...93% от суммы всех кислот. Для заготовки сенажа используются самоходные и прицепные универсальные кормоуборочные комбайны.
Кормовые качества силоса зависят от характера микробиологического процесса, который развивается в силосуемой массе. Большинство бактерий попадает в силосуемую среду вместе с растениями. Для жизнедеятельности молочнокислых бактерий не требуется кислород, они развиваются при значительной до 2,5% кислотности среды.
Для быстрого развития молочнокислого брожения важно, чтобы сахар, содержащийся в клеточном соке растений, был доступен бактериям. Для его растворения требуется влага, содержание которой в заготавливаемом корме должно быть 60 — 70%. Уплотнение силосуемой массы, ее изоляция от внешнего воздуха способствуют созданию бескислородной среды, что вызывает большее выделение сока. Сахар, содержащийся в соке, начинает бродить и превращается в молочную кислоту, заполняющую пустоты между частицами измельченной массы и насыщающую всю массу растений.
В зависимости от количества содержащегося сахара кормовые культуры подразделяют на л егкосил о сующиеся (кукуруза, подсолнечник), трудно-силосующиеся (клевер, донник) и несилосующиеся (вика, соя, крапива).
Для заготовки и приготовления сена в измельченном виде используются, как правило, прицепные и полунавесные кормоуборочные комбайны. Технология производства сена в измельченном виде предусматривает скашивание трав в прокосы или валки с их плющением или без, провяливание их в валках до влажности 35...40 %, что сопровождается оборачиванием валков, их ворошением и вспушиванием с последующим подбором и измельчением растительной массы и погрузкой ее в транспортное средство. После этого сено досушивают в сенохранилищах активным вентилированием. Так как сопротивление продуванию воздухом массы сена резко возрастает при увеличении плотности укладки, а последняя увеличивается при уменьшении длины резки, масса должна быть измельчена до 150.. .200 мм. При таком измельчении в поле уменьшаются потери растений за счет обмолота их листьев, соцветий и других легкообрабатываемых фракций.
Несовпадение сроков заготовки сена, сенажа, силоса, зеленой подкормки в различных почвенно-климатических зонах позволяет широко использовать различные типы кормоуборочных комбайнов при выполнении операций технологического процесса и делает кормоуборочные комбайны одним из основных сельскохозяйственных орудий производства.
Движение материала в трубопроводе
Исследования движения материала в трубопроводе связаны, главным образом, с определением зависимости дальности транспортирования массы от различных конструктивных параметров и давления создаваемого в трубопроводе.
При движении по трубопроводу измельченный материал преодолевает ряд сопротивлений, в результате чего частицы массы теряют запас кинетической энергии. Определяющими сопротивлениями являются трение материала о стенки трубопровода, трение частиц материала между собой и тормозящее действие воздуха в системе. Потери скорости частицами материала приводят к их падению под действием силы тяжести и забиванию трубопровода. В трубопроводах, наклоненных под некоторым углом к вертикальной оси, опасность забивания резко возрастает, так как путь проходимый частицей больше, чем в вертикальном трубопроводе. Поэтому трубопроводы швырко-во - пневматических транспортеров устанавливают вертикально и заканчивают их дефлекторами, нижняя часть которых открыта.
Без учета сопротивления движению материала по трубе зависимость скорости vTp при выходе материала от начальной скорости UQ, Резником Н.Е. [36] определяется графиком (рис. 1.6). При недостаточной начальной скорости происходит забивание трубопровода.
Скорость воздуха в трубе швырково-пневматических транспортеров без подачи материала определятся выражением где v0Kp - окружная скорость на конце лопасти; rj - к.п.д. нагнетателя; - коэффициент, учитывающий потери в трубопроводе.
В соответствии с формулой (1.7) в швырково-пневматических транспортерах скорость воздуха в начале трубопровода меньше скорости броска материала v0. Это означает, что воздух тормозит движение материала по всей высоте трубопровода. В этом отличие швырково-пневматических транспортеров от пневматических. В пневматических транспортерах воздушный поток по длине трубопровода обладает всегда большей скоростью, чем сам материал.
В работе Хоменко Ю.Е.[46] проведено исследование изменения скорости движения воздуха и материала в трубопроводах транспортеров высотой Я(рис.1.7).
Хоменко Ю.В. [45], исследуя аналитически процесс транспортирования материала с учетом скорости потока воздуха vB, установил, что высота транспортирования определяется по формуле
При v0Kp - 0, т.е. когда материал перемещается в неподвижном воздухе, уравнение (1.8) будет иметь вид .Л Г v. v. v„ g (1.10)
Используя данные уравнения, автор [40] установил зависимости высоты Н транспортирования от окружной скорости v0Kp для различных значений скорости воздушного потока при скорости витания частиц vs = 5 м/с.
В процессе теоретического анализа и экспериментальной обработки данных установлено, что с увеличением подачи зеленной массы уменьшается высота транспортирования. Здесь влияет не только абсолютная величина подачи (кг/с), сколько ее величина относительно сечения трубопровода.
Так, при уменьшении диаметра трубопровода высота транспортирования для измельченной массы уменьшается, так как на выходе из трубы опре деленные частицы материала парят, и при достаточно большом числе таких частиц их сила тяжести преодолевает силу воздействия воздушного потока, и они падают вниз, на рабочий барабан, захватывая с собой часть материала поднимающегося вверх по трубопроводу.
Проведенные эксперименты, описанные в работах Резника Н.Е. и Хо-менко Ю.В. [39, 45], качественно подтверждают теоретические расчеты (рис. 1.8).
Однако количественное расхождение результатов объясняется несколькими причинами: например, изменением аэродинамических характеристик воздушного потока, степенью однородности воздуха и материала, неучтенным сопротивлением, связанным с трением частиц между собой и о стенки трубопровода и т.п. Например, указанное сопротивление зависит от насыщения объема трубы материалом. Это насыщение характеризуется коэффициентом заполнения кгт, представляющим собой отношение объема материала
Расчет параметров роторного измельчающего аппарата
Измельченная масса, сойдя с ножа, транспортируется за счет сообщенной ей кинетической энергии и воздушного потока по конфузору и дефлектором направляется в транспортное средство. Передняя часть конфузора выполняется по дуге окружности, касательная к которой является продолжением передней стенки конфузора (рис. 2.3).
Передняя стенка конфузора и параллельная ей задняя стенка наклонены относительно вертикали на угол / назад по отношению к направлению движения машины. Сужение потока осуществляется за счет наклона боковых стенок на угол а.
Отрезанная часть стеблей некоторое время находится на поверхности ножа и сходит с нее после поворота ротора на некоторый угол. Началом схо 40 да измельченных стеблей с ножа можно считать положение, при котором нож достигает горизонтальной оси диаметра ротора. Однако, с точки зрения динамики процесса, наиболее благоприятным является случай, когда измельченная масса после схода с ножа продолжает движение параллельно передней стенке конфузора.
Абсолютная скорость частицы в момент схода vo6. =vn +v0, где V/7 - переносная скорость частицы, равная окружной скорости ротора по концам ножей, м/с; v0 - относительная скорость частицы при движении по ножу, м/с.
При движении измельченный материал преодолевает трение материала о стенки, силу тяжести и сопротивление воздуха. В результате начальная скорость частиц, с которой они сходят с лопасти ножа, в процессе движения в конфузоре уменьшается.
При значительном падении скорости перемещаемого материала он может не дойти до транспортного средства, что приведет к потерям кормов. С целью уменьшения потерь энергии на преодоление трения, силосопроводы стремятся делать с минимальными сужениями, наклонами и изгибами.
Следует отметить, что вопросы транспортирования измельченной массы в роторном кормоуборочном комбайне за счет пневматической составляющей, изучены недостаточно. В связи с этим основная часть аналитических исследований в работе посвящена этому вопросу.
Сопротивление воздуха зависит от скорости движущегося в нем тела. Обычно его принимают пропорциональным квадрату величины скорости, но в конфузоре воздух подвижен, так как ротор комбайна работает как лопастной вентилятор диаметрального типа. В этом случае скорость воздуха в конфузоре можно определить по выражению [1] где V0Kp - окружная скорость лопасти барабана; г\ - КПД вентилятора; к коэффициент, учитывающий угол наклона лопасти; - коэффициент, учитывающий потери в конфузоре.
Подкоренное выражение вышеприведенной формулы меньше единицы. Следовательно, скорость воздуха в начале конфузора меньше скорости схода материала с лопасти v0, и поэтому он тормозит движение материала.
В связи с тем, что в трубопроводе наряду с движением материала происходит движение!воздуха, принимаем сопротивление воздуха пропорциональным первой степени величины скорости (рис. 2.4).
Таким образом, на первом этапе до встречи со стенками конфузора движение частицы массы по нему описывается уравнением [1] где Рн - kspSv2s - сила сопротивления воздушного потока, Н; т - масса частицы, кг; g--ускорение силы тяжести, м/с2; 5 К0ЭФФиЦиент сопротивления; Р - плотность воздуха, кг /м3; у - удельный вес воздуха, Н/м3; S площадь проекции частицы на плоскость, перпендикулярную к направлению скорости движения, м2; vs - скорость потока, соответствующая взвешенному состоянию частицы, їшзьіваемая критической скоростью или скоростью витания массы, м/с.
Решение уравнения (2.18) позволяет получить формулу скорости движения частицы, не соприкасающейся со стенками конфузора: V = y[(g + 0)e kJ-g], (19) где: vo — начальная скорость движения частицы измельченной массы, равная окружной скорости ротора, м/с, , - коэффициент пропорциональности. В формуле (2.19) не учитывается сопротивление трения частиц при движении по стенкам.
Обоснование рекомендаций по рациональному проектированию конструкции аэродинамического тракта комбайна
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования аэродинамического тракта кормоуборочных комбайнов позволили уточнить их классификационные признаки (рис. 4.1), которые используются при проектировании.
Установлено, что швырково - пневматическое транспортирование измельченной массы является наиболее эффективным способом загрузки транспортного средства, причем швырково - пневматический эффект начинает проявляться уже в момент резания и зависит не только от типа измельчающего аппарата, его привода, но и от конструктивных особенностей конфузора, силосо-провода, дефлектора.
В исследованных конструкциях кормоуборочных комбайнов масса в зону резания ротора измельчающего аппарата поступает в виде бесконечной ленты, т.е. осуществляется процесс бесподпорного резания свободно стоящего стебля. Академиком А.Ю. Ишлинским [22], профессором Е.М. Гутьяром [15] разработаны уравнения, позволяющие получить критическую скорость, необходимую для срезания растений при бесподпорном резании.
Используя уравнения (2.12, 2.13, 2.14), расчитаны геометрические параметры и кинематика движения ротора и ножа для осуществления бесподпорного резания, обеспечения достаточной швырковой составляющей аэродинамического эффекта транспортирования измельченной массы.
При подаче массы в зону резания в виде бесконечной ленты [8; 13] установлено, что оптимальное число оборотов ротора для создания швыркового эффекта транспортирования составляет п=1430...1540 об/мин. при зазоре между лезвием подвижного ножа и лротиворежущей пластиной Д=20..,60 мм [24].
При таких оборотах в полунавесных кормоуборочных комбайнах на начальном этапе транспортирования измельченной массы в полной мере проявляет себя швырковая составляющая швырково - пневматического эффекта, влияние которой затем уменьшается в зависимости от скорости витания измельченных частиц. При небольших скоростях витания швырковая составляющая недостаточна для создания благоприятных условий транспортирования измельченной массы, поэтому требуется увеличение пневматической составляющей эффекта.
Открытие в боковых стенках дополнительных радиально расположенных в плоскости траектории движения ножей ротора отверстий позволяет увеличить величину пневматической составляющей швырково - пневматического эффекта на 12...14 % (рис. 3.2; 3,3), что подтверждено результатами аналитических и экспериментальных исследований.
На основе результатов аналитических исследований и полученных уравнений (2.18; 2.19; 2.21; 2.25), выбраны оптимальные параметры углов наклона ро передней и задней стенок конфузора, его боковых стенок а в зависимости от требуемой скорости движения частицы измельченной массы. Увеличение угла наклона а боковых стенок конфузора создает благоприятные условия для уменьшения силы трения на стенках и способствует более прямолинейному движению потока измельченной массы, а, следовательно, повышению скорости её транспортирования.
Экспериментально установлено, что в верхней части конфузора целесообразно иметь выбросное окно, приближающееся по своей форме к форме круга, что позволяет стабилизировать воздушный поток в конфузоре и сделать его более направленным.
На основе исследований сечение переходного отверстия силосопровода выполнено в форме круга по своим параметрам максимально приближенным к сечению выходного отверстия конфузора, что позволяет исключить наличие, так называемых, «мертвых» зон, различного рода завихрений воздушных потоков в переходных отверстиях. В этом случае наблюдаются минимальные поте ри на трение. Расчетами доказано и экспериментально подтверждено, что совмещение геометрических параметров выходного отверстия конфузора и входного отверстия силосопровода позволяет повысить мощность воздушного потока в выходных сечениях конструкции на 14.. Л6 % и стабилизировать воздушные потоки по сечениям.
В конструкции использован принцип оптимальности движения массы по силосопроводу, соответствующий тому, что масса (максимальный воздушный поток в произвольно взятом сечении силосопровода) преимущественно транспортируется по среднему сечению силосопровода, удаляясь от него к передней его стенке. В этом случае не наблюдается отрыва массы при её движении по дефлектору, улучшаются условия транспортирования массы при её погрузке в транспортное средство, в то же время истирание передней стенки силосопровода минимально.
Предложена конструкция силосопровода с изменяющимися по ширине и площади сечениями, обеспечивающая оптимальное протекание технологического процесса транспортирования измельченной массы. Наиболее оптимальным можно считать постоянно уменьшающиеся по ширине и площади сечения силосопровода, выполненные в передней части округлой формы, повторяющей собой конфигурации скоростей воздушных потоков в сечениях.
По формулам (2.28; 2.29) рассчитан оптимальный радиус кривизны поверхности дефлектора и координаты центра кривизны.
Проведенные по вышеуказанным формулам расчеты проверялись на ЭВМ методом планирования эксперимента с использованием формул (3.9; 3.10; 3.13; 3.14; 3.15; 3.16; 3.17; 3.18) характерных для каждого конкретного случая.
