Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований ... 7
1.1. Технологические линии заготовки грубых кормов прессованием . 7
1.2. Грузозахватные устройства для рулонов грубых кормов 13
1.3. Исследования взаимодействия рабочих органов грузозахватных устройств с материалом груза 28
1.4. Цель и задачи исследований 33
2. Теоретическое исследование работы пружинно-винтового грузозахватного устройства 35
2.1. Конструктивно-технологическая схема пружинно-винтового грузозахватного устройства 35
2.2. Теоретическое исследование процесса захвата и удержания рулона пружинно-винтовым грузозахватным устройством 37
2.2.1 Определение момента ввинчивания пружинно-винтового устройства в материал рулона 38
2.2.2 Определение условия удержания рулона на пружинно-винтовом устройстве 47
2.3. Обоснование параметров пружинно-винтового грузозахватного устройства 53
2.4. Выводы 58
3. Методика экспериментальных исследований и производственных испытаний 60
3.1. Методика лабораторно-полевых исследований 60
3.1.1 Выбор факторов оптимизации и определение повторности опытов, и порядка их проведения 60
3.1.2 Определение физико-механических и технологических свойств рулонов 66
3.1.3 Экспериментальная установка 68
3.1.4 Подготовка и выполнение лабораторно-полевых исследований 70
3.2. Методика обработки опытных данных 74
3.3. Методика проведения производственных испытаний грузозахватного устройства 75
3.4. Выводы 77
4. Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний 78
4.1. Результаты лабораторно-полевых исследований 78
4.1.1 Результаты исследований технологических и физико-механических свойств рулонов 78
4.1.2 Влияние параметров пружинно-винтового устройства на момент ввинчивания и коэффициент надежности удержания рулона 81
4.2. Результаты производственных испытаний пружинно-винтового грузозахватного устройства 89
4.3. Анализ времени рабочего цикла погрузки 97
4.4. Технико-экономическая оценка использования пружинно-винтового грузозахватного устройства для рулонов грубых кормов 99
4.4.1 Экономическая оценка по сохранению качества корма 99
4.4.2 Экономия от технической эксплуатации 101
4.5. Выводы 109
Общие выводы по
Список использованных источников 112
Приложения 121
- Исследования взаимодействия рабочих органов грузозахватных устройств с материалом груза
- Определение момента ввинчивания пружинно-винтового устройства в материал рулона
- Определение физико-механических и технологических свойств рулонов
- Влияние параметров пружинно-винтового устройства на момент ввинчивания и коэффициент надежности удержания рулона
Введение к работе
Условием улучшения жизни населения страны, снижения темпов инфляции, стабилизации цен на продукты питания является всемерное развитие отраслей АПК и особенно сельского хозяйства, разработка и реализация научно обоснованной земельной и агропромышленной реформ [1].
Важнейшей задачей сельского хозяйства является полное удовлетворение потребностей населения страны в дешевых высококачественных продуктах питания и обеспечение сырьём различных отраслей промышленности.
Для решения данных задач необходимо развивать основные отрасли сельского хозяйства растениеводство и животноводство, на основе применения эффективных ресурсосберегающих технологий, достижений науки и передовой практики.
Развитие животноводства неразрывно связано с созданием прочной кормовой базы и, в частности, увеличением производства грубых высококачественных кормов и повышением их сохранности.
Наилучшим образом этим требованиям отвечает технология заготовки грубых кормов прессованием в крупногабаритные рулоны. Преимущество прессования грубых кормов - механизация всех технологических операций, снижение потерь материала при осуществлении транспортно-производственного процесса, упрощение процесса контроля и повышение сохранности заготавливаемого материала [2].
Для реализации данной технологии, ведущие зарубежные и отечественные фирмы производят разнообразные модели рулонных пресс-подборщиков, которые составляют 80% из всех машин для подбора из валков и прессования при заготовке грубых кормов [2].
Однако широкое распространение технологии заготовки грубых кормов в рулонах сдерживается низкой производительностью погрузчиков рулонов и малой эффективностью транспортных работ. Низкая производительность погрузочных операций объясняется тем, что существующие сельскохозяйствен-
ные погрузчики фронтального типа при работе с рулонами, как штучным грузом, вынуждены тратить много времени на погрузочный цикл, связанный в основном с непроизводительными перемещениями погрузчика при захвате из-за несовершенства конструкций грузозахватных устройств [3].
При этом происходят значительные затраты времени и энергетических ресурсов на погрузку и транспортировку, что приводит к высокой себестоимости работ и снижает эффективность транспортно-производственного процесса заготовки грубых кормов в рулонах.
Повышение эффективности работы погрузчиков рулонов грубых кормов, путём создания новых конструктивно-технологических схем и обоснования параметров грузозахватных устройств является актуальной проблемой, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение.
Исследования по теме проводятся в СГАУ им. Н.И. Вавилова с 1994 года в соответствии с планом развития Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 840005200), и комплексной темой №4 НИР СГАУ им. Н.И. Вавилова «Разработка технического обеспечения аграрных технологий», раздел №5 «Обоснование процессов и средств погрузки для аграрных технологий».
Исследования взаимодействия рабочих органов грузозахватных устройств с материалом груза
Влиянию геометрических параметров рабочих органов грузозахватных устройств на процесс внедрения посвящен ряд работ [50;51;52;53;54;55;5б;57]. Данными работами установлено, что процесс внедрения рабочих частей грузозахватных устройств в волокнистый связный материал является сложным многофакторным явлением, и для сено-соломистых, силосованных и соломо-навозных материалов описывается схожими моделями.
При внедрении прямых цилиндрических зубьев, с конической заточкой, Веракша П.Г. считает сопротивление, как сумму усилий на конической и цилиндрической частях [50]:
При этом коэффициенты, учитывающие напряженное состояние рассчитываются по зависимости путем вычисления с применением специальных математических программ ЭВМ.
Проведенный анализ формул (1.1-1.9) показывает, что все исследователи предполагают определение усилия внедрения как функциональную зависимость от площади поверхности и физико-механических свойств материала. При этом с развитием электронных средств математического расчета математические зависимости усложнялись для более точного расчета усилий. При анализе использовался более сложный математический анализ, что позволяло авторам более детально рассматривать напряженное состояние материала в зоне работы захватных устройств.
Анализ поведения зависимостей по выражениям (1.1-1.9) показал, что по одним она имеет убывающий характер, а по другим возрастающий. Это объясняется сложностью происходящих процессов при внедрении зубьев и удержанием груза на них. В связи с этим математические зависимости выведены с допущениями и определенными граничными условиями, при которых они более точно отражают физические процессы, происходящие при работе грузозахватных устройств.
На основании вышеприведенного анализа можно сделать вывод о том, что поскольку спрессованный материал в рулонах имеет слоистую структуру и в различных направлениях имеет различные физико-механические свойства, то при внедрении криволинейных зубьев известные математические зависимости будут отображать этот процесс в неполной мере. Зависимость усилия внедрения и удержания груза на криволинейных зубьях изучена недостаточно, так как при этом необходимо учитывать различие физико-механических свойств материала по всем направлениям движения, что в неполной мере сделано в предыдущих исследованиях. Из этого вытекает необходимость в проведении дополнительных исследований по определению и теоретическому расчету усилий внедрения и удержания груза (рулонов грубых кормов) на криволинейных зубьях.
Проведённый патентный поиск, анализ научно-исследовательских работ и сделанные при этом выводы позволяют сформулировать цель и задачи исследований.
Цель работы. Повышение эффективности работы фронтального погрузчика при заготовке рулонов грубых кормов за счет разработки и обоснования параметров пружинно-винтового грузозахватного устройства. Задачи исследований:
1. Разработать и обосновать конструктивно-технологическую схему пружинно-винтового грузозахватного устройства для заготовки рулонов грубых кормов.
2. Теоретически исследовать процесс захвата и удержания рулона, и полу чить аналитические выражения для определения момента ввинчивания и коэффициента надежности удержания рулона на пружинно-винтовом устройстве и обосновать геометрические параметры устройства.
3. Экспериментально проверить теоретические предпосылки по определе нию момента ввинчивания и коэффициента надежности удержания рулона на пружинно-винтовом устройстве и получить зависимости подтверждающие обоснование параметров грузозахватного устройства.
4. Испытать в производственных условиях пружинно-винтовое грузоза хватное устройство и дать технико-экономическую оценку его использования.
Определение момента ввинчивания пружинно-винтового устройства в материал рулона
Рассмотрим рулон грубого корма длиной 2L, радиуса R со средним удельным весом у, лежащий на боку (рис.2.3). Захват рулона осуществляется путём ввинчивания пружинно-винтового устройства в материал рулона, имеющего следующие характеристики: Rz - радиус пружинно-винтового устройства; h - шаг пружинно-винтового устройства; Rs - радиус проволоки пружинно-винтового устройства; hz = /гфг/(2я) - глубина внедрения пружинно-винтового устройства в рулон; ф2 - угловая протяженность пружинно-винтового устройства; / = /іф0/(2тг.) - проекция расстояния от оси рулона до пружинно-винтового устройства на ось г; Фо - угол, на который нужно ещё повернуть пружинно-винтовое устройство, чтобы её начало достигло плоскости ху;.
Определим влияние геометрических параметров пружинно-винтового устройства на момент ввинчивания в материал рулона.
Для определения параметров грузозахватного устройства пружинно-винтового типа, при которых обеспечивается надежный захват рулона и минимальные затраты энергии, были произведены расчеты по полученным формулам в универсальной математической системе MathCAD 7.0 PRO и построены графики (рис. 2.11-2.18) (приложение 4).
В качестве исходных данных были приняты следующие параметры пружинно-винтового захвата и материала рулонов:
- диаметр проволоки пружинно-винтового захвата 20 мм,
- диаметр пружинно-винтового захвата 0,15.. .0,30 м,
- угол наклона винтовой линии захвата 9.. .17,6,
- плотность материала рулона 70... 160 кг/м3,
- коэффициент трения материала рулона о проволоку захвата 0,24.. .0,48,
- напряжение растяжения (сжатия) 14.. .40 КПа.
Анализируя полученные в результате расчетов данные и построенные графики, можно сделать заключение.
Главным критерием оценки следует признать коэффициент надежности удержания рулона, который должен быть равный 2,0-2,5 и учитывать инерционные нагрузки в процессе погрузки рулона, неоднородность материала и отличия геометрических размеров рулона [56].
Согласно рис. 2.17 и 2.18 значение коэффициента надежности удержания рулона практически не зависит от плотности материала рулона. Это связано с тем, что допускаемые напряжения в материале при удержании зависят, как от плотности, так и от веса рулона. При увеличении плотности возрастает вес рулона, который вызывает большие напряжения на захвате, но при увеличении плотности возрастают и допускаемые напряжения в материале рулона. Это приводит к тому, что коэффициент надежности удержания рулона остается практически неизменным. Значение коэффициента надежности удержания рулона возрастает с увеличением диаметра и угла наклона винтовой линии пружинно-винтового захвата (рис. 2.15 и 2.16). Однако с увеличением диаметра пружинно-винтового захвата возрастает момент ввинчивания захвата в материал рулона (рис. 2.11 и 2.12). Момент ввинчивания, также возрастает с увеличением плотности материала рулона (рис. 2.13 и 2.14). Уменьшение момента ввинчивания захвата наблюдается только при увеличении угла наклона винтовой линии захвата.
Учитывая вышеперечисленное, следует считать, что надежное удержание рулона обеспечивается при угле наклона винтовой линии 17,6 , а наименьший момент ввинчивания при диаметре 0,15 м.
Определение физико-механических и технологических свойств рулонов
Влажность материала рулонов определялась путем отбора проб согласно методик [83], их взвешиванием перед и после сушки.
Определение относительной влажности рулона осуществлялось по формуле:
Определение средней плотности материала рулона осуществляется взвешиванием рулона с четырёхкратной повторностью на весах с пределом измерений до 500 кг. После взвешивания с шестикратной повторностью в различных точках измерялись диаметр и длина рулона. Средняя плотность материала рулона определялась по формуле:
ті I где тр - средняя масса рулона, кг;
d— средний диаметр рулона, м;
I - средняя длина рулона, м;
Определение расстояния между рулонами на поле осуществлялось рулеткой с пределом измерения 20 м. Измерения производились между одноименными точками двух соседних рулонов.
Для определения значений и распределения модуля Юнга и коэффициента Пуассона проводились сжатия рулона в продольном и радиальном направлениях. Продольное сжатие рулона радиусом R и длиной L, производилось силой Р от 3 до 90 кН направленной вдоль оси х без учёта собственного веса (рис.3.4). При сжатии замерялись усилие сдавливания, продольная т и поперечная мд деформации в пяти точках по длине и четырех точках по окружности рулона (рис.3.5).
При радиальном сжатии рулона радиусом R и длиной L, силой Т от 3 до 90 кН, возникало равномерно распределенная радиальная нагрузка q (рис.3.6). При сжатии производился замер поперечной деформации uR в четырех точках по окружности.
Модуль Юнга и коэффициент Пуассона зависят от плотности материала. Поэтому при проведении экспериментальных исследований сжатию подверга-лись рулоны различной плотностью от 70 до 160 кг/м .
Программа лабораторно-полевых исследований была реализована на экспериментальной установке (рис.3.8), позволяющей проводить исследования на рулонах в натуральную величину.
Составными частями экспериментальной установки являются: основание 1 установки, которое служит также опорной базой для рулона. Основание 1 представляет собой сварную рамную конструкцию из швеллеров. К основанию 1 посредством болтов крепится вертикальная рама 2, являющаяся для вертикально-перемещающейся рамки 3 направляющей. На рамке 3 закреплялось грузозахватное устройство 4. Грузозахватное устройство имеет в своем составе гидромотор, для придания вращательного движения сменному пружинно-винтовому захвату 5. Вертикально-перемещающаяся Г-образная рамка приводится в движение парой гидроцилиндров 6. Рамка передвигается по направляющей вертикальной раме на несущих роликах, от перекосов рамку предохраняют упорные ролики. Рис.3.8, Экспериментальная установка.
1 -основание; 2 - вертикальная рама; 3 - вертикально-перемещающаяся рамка; 4 - грузозахватное устройство, 5 - пружинно-винтовой захват, 6 - гидроцилиндр.
Гидроцилиндры установки приводятся в действие от гидросистемы трактора МТЗ-80 «Беларусь», состоящей из насоса типа НШ-32, гидрораспределителя и системы нагнетательных и сливных трубопроводов.
При проведении экспериментальных исследований ставилась задача, получить данные по моменту ввинчивания пружинно-винтового захвата в материал рулона, и усилия вырывания пружинно-винтового захвата из материала рулона, определяющие надежность удержания рулона, а также данные по сжатию рулона в осевом и радиальном направлениях. Для решения поставленных задач экспериментальная установка была оснащена датчиками, и измерительной аппаратурой.
Применяемые датчики позволяли преобразовывать величины измеряемых параметров давления в агрегатах гидросистемы в изменяемые во времени электрические сигналы. Синхронность записи сигналов осуществлялась светолуче-вым магнитоэлектрическим осциллографом К20-22 №24013 на осциллографную фотобумагу шириной 200 мм и светочувствительностью 1100 ГОИ. Скорость движения фотобумаги устанавливалась 25 мм/с.
Применение потенциалометрических датчиков позволяло без предварительного усиления регистрировать сигналы различной величины измеряемых параметров при их изменении без предварительного усиления. Это способствовало повышению надёжности и стабильности проведённых измерений, что имеет важное значение, при проведении экспериментальных исследований.
Момент ввинчивания пружинно-винтового захвата в материал рулона определялся по разности давлений на входе и выходе гидромотора захвата. Усилие вырывания пружинно-винтового захвата из материала рулона определялось по разности давлений в надпоршневой и подпоршневой полостях гидроцилиндров подъема вертикально-перемещающейся рамки. Давление рабочей жидкости в полостях гидромотора и гидроцилиндров измерялось потенциало-метрическими датчиками повышенной точности ДМП-100А.
Датчики устанавливались в каналы соответствующих магистралей трубопроводов с использованием специальных штуцеров. Датчики давления питались от аккумуляторной батареи напряжением 4,5 В. Питание осциллографа осуществлялось от двух батарей СТ-135 напряжением 12 В каждая.
Работа с измерительным оборудованием в процессе проведения опытов и тарировки оборудования производилась в соответствии с правилами, изложенными в инструкциях по эксплуатации соответствующего оборудования.
Влияние параметров пружинно-винтового устройства на момент ввинчивания и коэффициент надежности удержания рулона
Цель экспериментальных исследований по ввинчиванию захвата в материал рулона и по определению надежности удержания рулона, сводилась к обоснованию геометрических параметров (диаметра и угла наклона винтовой линии) пружинно-винтового захвата грузозахватного устройства, обеспечивающих надёжное удержание рулона при минимальных затратах энергии на захват.
Результаты проведенных экспериментальных исследований представлены в приложении 6.
Для обработки данных, полученных при экспериментальных исследованиях, использовались программы анализа данных Microsoft Excel, которые позволили исследовать обширный экспериментальный материал и получить достоверные результаты (приложение 7). Проведенные вычисления показали, что экспериментальные и теоретические данные совпадают, а ошибка не превышает 11% (приложение 4).
В результате вычислений были получены уравнения регрессии, описывающие зависимости момента ввинчивания Мев от диаметра D и угла наклона винтовой линии фл захвата. По полученным уравнениям 4.1.. .4.3 были построены графики рис.4.1, по выражениям 4.4.. .4.6 графики рис. 4.2.
Графики 4.1 и 4.2 показывают, что момент ввинчивания увеличивается с увеличением диаметра и уменьшается с увеличением угла наклона винтовой линии пружинно-винтового захвата.
Влияние угла наклона винтовой линии на уменьшение момента ввинчивания связано с тем, что при увеличении угла наклона винтовой линии уменьшается длина винтовой линии, а следовательно и сила трения при движении пружинно-винтового захвата в материале рулона [73].
Влияние диаметра на увеличение момента ввинчивания связано с тем, что при увеличении диаметра увеличивается плечо приложения силы сопротивления ввинчиванию проволоки захвата.
Следовательно, можно сделать заключение, что для уменьшения момента ввинчивания необходимо уменьшать диаметр и увеличивать угол наклона винтовой линии (шаг).
Графики 4.3 и 4.4 показывают, что момент ввинчивания пружинно-винтового захвата увеличивается с увеличением плотности материала рулона. Следовательно, параметры гидромотора обеспечивающего ввинчивание пружинно-винтового захвата необходимо выбирать для самого плотного материла.Для анализа экспериментальных данных по надежности удержания рулона определялась зависимость коэффициента надежности Ки от диаметра и угла наклона винтовой линии захвата. Были получены следующие уравнения регрессии.
Графики 4.5 и 4.6 показывают, что коэффициент надежности захвата рулона увеличивается с увеличением диаметра и угла наклона винтовой линии пружинно-винтового захвата.
Влияние диаметра на увеличение коэффициента надежности захвата связано с тем, что при увеличении диаметра увеличивается площадь опорной поверхности слоев материала, на которых удерживается вес рулона [69].
Влияние угла наклона винтовой линии на коэффициент надежности захвата связано с тем, что при уменьшении угла наклона винтовой линии уменьшается шаг захвата, и толщина слоев материала, на которых удерживается вес рулона. Хотя число слоев при этом возрастает, но при приложении нагрузки связи между частицами материала рулона нарушаются при меньших напряжениях в тонком слое, чем в слое имеющим большую толщину.
Следовательно, можно сделать вывод, что при уменьшении числа слоев и увеличении их толщины, надежность захвата рулона пружинно-винтовым захватом увеличивается. Это обеспечивается увеличением диаметра и угла наклона винтовой линии (шага).
Анализируя вышеперечисленное, можно прийти к заключению, что для обеспечения большей надежности захвата и меньшего времени на захват рулона необходимо увеличивать диаметр и угол наклона винтовой линии захвата, то есть шага. Однако максимально возможные диаметр и угол наклона винтовой линии пружинно-винтового захвата ограничиваются условиями прочности и составляют 300 мм и 17,6. При этом увеличение диаметра приводит к возрастанию момента ввинчивания захвата в материал рулона. При этом увеличиваются затраты энергии, массы гидромотора и грузозахватного устройства в целом.
В результате было получено, что с увеличением плотности материала рулона коэффициент надежности удержания остается неизменным. Следовательно параметры пружинно-винтового захвата определяются условием надежного удержания рулона и минимальными затратами энергии на захват при любых значениях плотности материала рулонов. При данных условиях надежность удержания рулона обеспечивает захват с возможным наименьшим диаметром 0,15 м и углом наклона винтовой линии 17,6 (шаг 0,15 м). При этих значениях параметров пружинно-винтового захвата обеспечивается наименьший момент ввинчивания захвата в материал рулона из всех других удовлетворяющих условиям надежности удержания, что подтверждает теоретические исследования.По результатам проведённых теоретических и экспериментальных исследований был изготовлен производственный образец грузозахватного устройства пружинно-винтового типа для рулонов грубых кормов (рис. 4.8) (приложение 8). Производственные испытания проводились в ОАО «Покровское» Бала-шовского района Саратовской области (приложение 2).
Производственные испытания проводились на работах по подбору рулонов с поля и их погрузки в транспортное средство ГКБ-887Б, а так же при штабелировании рулонов.
Грузозахватное устройство навешивалось на раму погрузчика СНУ-5 50 на базе трактора МТЗ-80 «Беларусь».
