Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 10
1.1. Характеристика сельскохозяйственных грузов 10
1.2. Общая характеристика погрузчиков сельскохозяйственного назначения 12
1.3. Погрузчики непрерывного действия для погрузки сыпучих и уплотненных грузов 17
1.4. Классификация роторных питателей погрузчиков непрерывного действия 29
1.5. Анализ существующих исследований производительности и мощности погрузчиков непрерывного действия и их питателей .32
1.6. Выводы по главе... 40
1.7. Цель и задачи исследований 41
2. Теоретическое исследование роторного питателя 42
2.1. Предлагаемая конструктивно-технологическая схема роторного питателя... 42
2.2. Кинематический анализ работы 45
2.2.1. Основные конструктивные и режимные параметры роторного питателя 45
2.2.2. Кинематическое исследование роторного лопастного питателя 46
2.2.3. Производительность отделения 49
2.2.4. Производительность транспортирования... .49...
2.3. Анализ взаимодействия роторного питателя с грузом 52
2.3.1. Взаимодействие роторного питателя с зерном 52
2.3.2. Взаимодействие ротора питателя с навозом 58
2.4. Мощность, необходимая для привода ротора питателя 59
2.5. Энергоемкость роторного питателя 60
2.6. Выводы 61
3. Програма и методика экспериментальных исследований 62
3.1 Методика лабораторно-полевых исследований 62
3.1.1. Описание экспериментальной установки 63
3.1.2. Порядок проведения исследований 70
3.2. Методика проведения лабораторно-полевых исследований 71
3.2.1. Методика проведения однофакторных экспериментов 72
3.2.2. Методика многофакторного планирования эксперимента 73
3.2.3. Анализ математической модели второго порядка .,..76
3.3. Программа и методика производственных испытаний 77
3.3.1. Положения теории подобия и моделирования, применительно к роторному питателю погрузчика непрерывного действия 78
3.3.2. Методика производственных испытаний 85
3.4. Выводы по главе 85
4. Результаты экспериментальных исследований 87
4.1 Физико-механические свойства грузов. 87
4.2. Результаты исследований влияния конструктивных параметров на показатели работы питателя 88
4.2.1. Влияние угла поворота лопасти на крутящий момент на валу и производительность ротора 88
4.2.2. Влияние количества лопастей на показатели работы роторного питателя 92
4.3. Результаты исследований влияния режимных параметров на показатели работы питателя 97
4.3.1. Влияние режимных параметров на показатели работы роторного питателя при работе с зерном 97
4.3.2. Влияние режимных параметров на показатели работы роторного питателя при работе с навозом 100
4.4. Результаты многофакторного эксперимента по исследованию энергоемкости роторного питателя 103
4.4.1 Анализ результатов исследований и регрессионной модели, описывающей изменение энергоемкости от режимных и конструктивных параметров при работе с зерном 106
4.4.2. Анализ результатов исследований и регрессионной модели энергоемкости при работе питателя с навозом 113
4.5. Исследование формы лопастей 118
4.6. Выводы по главе 120
5. Технико-экономическая эффективность 122
5.1. Результаты производственных испытаний 122
5.2. Технико-экономическое обоснование 126
5.3. Выводы 131
Общие выводы 132
Литература 134
Приложения 143
- Анализ существующих исследований производительности и мощности погрузчиков непрерывного действия и их питателей
- Взаимодействие роторного питателя с зерном
- Положения теории подобия и моделирования, применительно к роторному питателю погрузчика непрерывного действия
- Влияние угла поворота лопасти на крутящий момент на валу и производительность ротора
Введение к работе
Современное сельскохозяйственное производство связано с необходимостью погрузки и перемещения большого объема материалов. Большую часть этого объема составляют буртованные грузы или хранимые навалом, без тары. К таким массовым грузам относятся органические и минеральные удобрения, зерно, корне клубнеплоды и др.
Существующие погрузчики применяемые в данных отраслях сельского хозяйства узко специализированы и не отвечают требованиям по производительности, энергозатратам и качеству погрузки.
Конструктивно-технологические схемы рабочих органов навозопогрузчиков практически исключают возможность их эффективного использования для погрузки других видов грузов. То же самое характерно и для зернопогрузчиков и других специальных машин. Отсутствие универсального погрузчика, способного работать с несколькими видами грузов приводит к необходимости иметь в хозяйстве большой парк погрузочной техники. При этом низкая годовая загрузка увеличивает себестоимость продукции и снижает эффективность производства.
Внесение навоза осуществляется, главным образом, под вспашку — осенью или весной. При норме внесения 15...20 т/га на каждую тысячу га необходимо погрузить и внести 15...20 тыс. т. навоза или органических удобрений. Для переработки такой массы навоза необходимы высокопроизводительные погрузчики, которые в другое время практически не используются. В период уборки урожая производится погрузка и перемещение большого объема зерна и зерновых материалов. При урожайности 25 ц/га с каждой тысячи га получается 2500 т зерна, которые при закладке на хранение или переработке требуют неоднократной погрузки и транспортирования. Используемые зернопогрузчики так же должны быть высокопроизводительными. Создание конструктивно-технологических схем погрузчиков, эффективных при работе с различными видами грузов, позволяет значительно увеличить годовую загрузку данных машин и, в конечном счете, снизить затраты на производство продукции.
Наиболее перспективными грузозахватными рабочими органами погрузчиков непрерывного действия с позиции создания универсальных конструкций являются лопастные роторные питатели. Основными причинами, сдерживающими применение таких питателей в качестве грузозахватных рабочих органов погрузчиков непрерывного действия, являются их ограниченная производительность и высокая энергоемкость, что связано с несовершенством существующих конструктивно-технологических схем, не исследованностью процессов взаимодействия с различными видами грузов и отсутствием обоснования параметров.
Следовательно, задача разработки высокопроизводительного и энергосберегающего питателя роторного типа, позволяющего погрузчикам непрерывного действия эффективно работать с грузами различного вида является актуальной и имеющей важное народно-хозяйственное значение.
Диссертационная работа посвящена повышению эффективности погрузчика непрерывного действия путем обоснования параметров и режимов работы роторного лопастного питателя.
Исследования проводились на кафедре «Детали машин и ПТМ» ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» и в ПУ №59, п.г.т. Базарный-Карабулак Саратовской области.
В диссертации приведены:
- результаты теоретических исследований рабочего процесса роторного лопастного питателя, кинематического и силового анализа;
- результаты лабораторно-полевых экспериментов, связанных с оптимизацией режимных и конструктивных параметров роторного лопастного питателя; - критерии подобия и масштабные коэффициенты для обоснования параметров рабочих органов погрузчиков различной производительности;
- результаты производственных испытаний роторного лопастного питателя к погрузчику непрерывного действия;
- технико-экономические показатели эффективности применения погрузчика непрерывного действия с предлагаемым питателем. Теоретические исследования проводились на основе известных положений теоретической и прикладной механики, математического анализа и аналитической геометрии. Экспериментальные исследования базировались на применении теорий подобия, физического моделирования, планирования многофакторного эксперимента.
Погрузчик непрерывного действия с лопастным роторным питателем использовался при погрузке фуражного зерна на мехтоке и при удалении перепревшего навоза на территории фермы КРС учебного хозяйства Базарно-Карабулакского ПУ №59 Базарно-Карабулакского района Саратовской области и ЗАО «Кудашевское» Базарно-Карабулакского района Саратовской области.
Расчетный годовой экономический эффект от внедрения погрузчика непрерывного действия с роторным лопастным питателем составил 43741 рубль на одну машину.
Основные положения диссертации доложены на Поволжской межвузовской конференции в Самарской ГСХА «Совершенствование машиноиспользования и технологических процессов АПК» (Самара, 2001 г.), на конференции молодых ученых СГАУ, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Саратов 2002 г.), на конференциях государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова 2001...2003 г.г.
По результатам исследований опубликованы 6 работ, в том числе патент РФ №2202162.
На защиту выносятся: теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы роторного лопастного питателя;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению и оптимизации кинематических, конструктивных параметров, производительности и энергоемкости роторного лопастного питателя;
экспериментальные зависимости и вероятностно-статистические модели, описывающие влияние режимных и конструктивных параметров на крутящий момент, производительность и энергоемкость предлагаемого питателя.
Анализ существующих исследований производительности и мощности погрузчиков непрерывного действия и их питателей
Работа роторного лопастного питателя протекает в следующей последовательности: отделение частиц груза, перемещение груза в пределах питателя и отгрузка на транспортер.
Предложенная Горячкиным В.П. [47] формула для определения силы тяги тракторных плугов может быть положена в основу и для исследований рабочих органов фрезерующего типа, так как в обоих случаях происходит отделение стружки от основного массива. &XP - скорость перемещения грунта, м/с;
к — коэффициент, зависящий от свойств почвы и формы отвала.
Выражение, предложенное Горячкиным В.П. отражает процессы характерные и для общей картины фрезерования. Для применения его к конкретному рабочему органу требуются дополнительные преобразования.
Большой интерес для теории питателей имеют исследования мощности и производительности рабочих органов такого типа.
Павловым Н.В. [48], предложено выражение для определения мощности, затрачиваемой на отделение части навоза от основного массива, в общем случае. Данное выражение имеет вид:
Мощность, затрачиваемую при фрезеровании массива груза рабочими органами лопастного питателя погрузчика непрерывного действия, для погрузки из подпольных навозохранилищ [29] предлагается определять по выражению:
Для рабочих органов с осью вращения, перпендикулярной направлению движения, рекомендуют [50] определять с учетом работы резания и частоты вращения режущих элементов: где Wp — работа резания одной стружки;
п - число оборотов фрезы в минуту;
z - число режущих элементов рабочего органа.
Выражения (1.3,1.6) в полной мере не позволяют определять мощность
при фрезеровании навоза лопастным питателем. На кафедре «Детали машин и ПТМ» СГАУ им. Вавилова продолжили изучение процессов погрузки органических удобрений лопастным питателем погрузчика непрерывного действия. Мощность на привод лопастного питателя при погрузке перепревшего навоза запишется [51]: Р=[стрЪк K+pVc(gf+ со2г„/л)]1 zco/ж (1.7) М где стр - напряжения резания отделяемого груза, Н/м2; Ьк - ширина режущей кромки лопасти, м; 1іл - высота лопасти, м; р - плотность органических удобрений, кг/м3; Vc - объем стружки, м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; f - коэффициент трения; ш - угловая скорость вращения лопастей; г - радиус вращения точки лопасти, м; {$ X - длина кривой, описываемой лопастью в массиве груза, м; z — число лопастей одного ротора. Производительность лопастного питателя погрузчика зависит от производительности подачи и производительности роторов, и определялась по формуле, полученной Левченко Г.В.[51]: pzcoH к U г г со cosa rcosa . n - -cos p + 2 u 4—sm2(? (1.8) где Н — высота бурта органических удобрений, захватываемая лопастью, м; U - поступательная скорость питателя, м/с; ф - угол поворота лопасти, град; а - угол наклона плоскости вращения лопасти, град; На кафедре «Детали машин и ПТМ» СГАУ им. Вавилова была получена производительность элементно-цепного питателя погрузчика непрерывного действия [52]: где zn — число планок, принимающих участие в работе; В - ширина захвата; А - толщина стружки; р - плотность материала; Vr - относительная скорость движения; Мощность на фрезерование материала элементно-цепным питателем, предложено [52] определять как сумму мощностей, затрачиваемых на резание материала, динамическое воздействие, транспортировку к отгрузочному транспортеру, разгрузку и мощности холостого хода:
Взаимодействие роторного питателя с зерном
Зерно относится к легко сыпучим грузам, практически не имеющим начального сцепления и вследствие этого обладающего невысокой величиной сопротивления внедрению рабочего органа [15, 56]. Несмотря на это сопротивление внедрению лопастей в массив груза и отделению частей груза имеет реальную величину, которую необходимо учесть. Рассматривая элементарную частицу на передней кромке (рис. 2.5) можно сделать вывод, что отделение осуществляется деформацией разрыва, по сути, процесс отделения ближе всего к процессу резания. Следовательно, за основу нужно принять формулу Н.Г. Домбровского [68]. Усилие на резание:
Fp=Kpbh (2.15)
где Кр — напряжение отделяющей деформации, МПа; (в нашем случае в качестве Кр может быть принят как напряжение разрыва или резания в зависимости от вида груза); b и h - ширина и высота режущей кромки, мм.
Однако, в нашем случае частица в процессе отделения еще и скользит по поверхности лопасти, в связи с чем возникает сила трения.
Величина силы трения:
Fmp=Nf (2.16)
где N — нормальное давление на поверхность лопасти, Н; f —
коэффициент трения груза о поверхность лопасти (сталь).
Нормальное давление определим исходя из условия, что нормальное давление груза о лопасть будет равно усилию, необходимому для внутреннего разлома отделяемой стружи и преодоления силы трения по поверхности наклонной плиты, т.е.
N = Fpa3 + Fmp (2.17)
где Fpa3 = TpSH — усилие, необходимое для внутреннего разлома
отделяемой стружки; ар - напряжение разрыва, МПа; S и Н — толщина и
,v высота стружки, мм.
Fmp = Gf = tngf- усилие, необходимое для преодоления силы трения по поверхности отделения; G и m - соответственно вес и масса отделенной стружки.
В общем случае:
Fp o-pbh + fo-pSH + mg/)/ (2.18)
Следует отметить, что для зерна при отделении порции величина ар
f# очень мала и, соответственно, составляющей Fpa3 можно пренебречь. Тогда: Fp = Opbh + mgf \ После отделения груз лопастью перемещается по круговой траектории в абсолютном движении и по циклоидальной в относительном. На частицу груза, располагающуюся на лопасти будут действовать следующие силы (рис. 2.6): - реакция Н, со стороны лопасти, направленная по нормали поверхности лопасти и являющаяся движущей силой, перемещающей частицу к отгрузочному транспортеру; -центробежная сила Fu = mco2R, направленная по радиусу от центра ротора к частице груза и под углом а к горизонтальной плоскости; -сила трения F по поверхности скольжения частицы при транспортировании лопастью направлена в сторону, противоположную движению; -сила инерции FH = ma также направленная противоположно движению частицы. Сила тяжести частицы G, направленная вертикально вниз. Эти силы действуют при условии, что частица находится на лопасти в постоянной фиксированной точке без скольжения по поверхности лопасти, т.е. в абсолютном движении. Следует отметить, что в относительном движении на частицу груза будут действовать также сила подпора Fn со стороны других частиц, расположенных ближе к основному массиву, данная сила стремится сдвинуть частицу по лопасти к ее внутренней части; сила трения частицы о поверхность лопасти F , направленная вдоль поверхности лопасти в сторону, противоположную ее сдвигу под действием силы Fn; сила инерции частицы в ее относительном движении FHO. Решение дифференциальных уравнений движения частицы груза в относительном движении представляет собой сложную и трудоемкую задачу. Часто решение может быть возможно только приближенными способами [86]. Поэтому примем допущение, что сила подпора F„ уравновешивается силой трения F и силой инерции FH0. Оси координат выберем таким образом, что плоскость XOY будет иметь угол наклона а к горизонтальной плоскости, ось ОХ будет совпадать с направлением поступательного движения питателя в сторону груза, ось OY перпендикулярна ему.
Положения теории подобия и моделирования, применительно к роторному питателю погрузчика непрерывного действия
Теория подобия является очень важным элементом в исследованиях ., рабочих органов погрузчиков непрерывного действия. Исследования, выполненные на моделях реальных машин отличаются высокой достоверностью полученных экспериментальных данных, поскольку позволяют устранять воздействия множества случайных и неуправляемых факторов. Установленные при таких исследованиях оптимальные значения параметров с помощью теории подобия можно переносить на различные типоразмеры производственных образцов (прототипов), при этом точно прогнозируются производительность, приводная мощность и энергоемкость погрузчика. Используя известные работы по теории подобия [ 65...69,74 и другие] определим критерии подобия и масштабные коэффициенты основных параметров и показателей работы роторного питателя. Энергоемкость роторного питателя является функцией многих факторов:
Е =f(&; со; D; R»; Н; у; p;fi;f2 ;fBH; SP) (3.13)
Установим влияние на энергоемкость, а также на производительность и приводную мощность, основных конструктивных и режимных параметров.
4 На основании проведенного теоретического анализа к основным aпараметрам можно отнести: - поступательную скорость питателя и (м/с); -угловую скорость ротора со (рад/с); - диаметр ротора D (м); - угол поворота лопасти у (град). Поскольку у невозможно выразить через основные единицы измерения: время [Т], массу [М], и длину [L], поэтому исключим его из рассмотрения в качестве основного. Однако, среди факторов, влияние которых на показатели работы питателя очень велико, имеются прямо не относящиеся к конструктивным и режимным параметрам: плотность груза р
Щ (кг/м3) и высота бурта Н (м). Выберем в качестве базисных единиц поступательную скорость питателя и (м/с); диаметр ротора D (м); плотность груза р (кг/м3). Выразим размерность базисных единиц через основные:
Определитель матрицы не равен нулю, следовательно, базисные единицы выбраны верно.
Поскольку общее число величин, характеризующее процесс равно шести (п = 6), а число независимых базисных единиц равно трем (р = 3), то необходимое и достаточное число критериев подобия: k = п — р = 3.
Согласно я - теоремы функциональная связь между параметрами может быть представлена в виде зависимости между критериями подобия, т.е.:
Критерии подобия определим исходя из условия, что комплексы, входящие в уравнение - безразмерные величины.
=1= Выражение (3.17) будет безразмерным при равенстве нулю показателей степени всех входящих членов, т.е.:
Таким образом установлены основные критерии подобия, связывающие показатели работы питателя с основными параметрами. Для переноса результатов исследований на производственные образцы установим масштабные коэффициенты основных параметров и показателей.
Согласно, основных положений теории подобия [65] масштабный коэффициент геометрических размеров роторного питателя определяется как отношение диаметра ротора прототипа к диаметру ротора модели:
Аналогичное соотношение имеет место и для других геометрических параметров. При исследовании параметров модели и прототипа соблюдалось равенство критериев подобия, исходя из которого, можно определить масштабные коэффициенты других величин.
Масштабные коэффициенты физико-механических свойств грузов примем равными единице [68]. Таким образом: рм = рп; fM = fn; 5М=5П и так далее.
Масштабный коэффициент высоты бурта груза найдем используя критерий П3, из которого следует:
Масштабные коэффициенты режимных параметров: для угловой скорости, согласно условия инвариантности (критерия Фруда) [65], можно принять
Влияние угла поворота лопасти на крутящий момент на валу и производительность ротора
Первый этап экспериментальных исследований включал серию однофакторных экспериментов по установлению влияния конструктивных и режимных параметров на крутящий момент на валу и производительность ротора.
Планом экспериментальных исследований в качестве основных конструктивных параметров были выбраны угол поворота лопасти и количество лопастей. Именно эти конструктивные параметры определяют физическую картину процессов захвата и транспортирования груза питателем.
4.2.1. Влияние угла поворота лопасти на крутящий момент на валу и производительность ротора
Исследования производились для перепревшего навоза "сыпца" с плотностью р=818 кг/м, коэффициентом трения по стали f=0,64, сопротивлением резанию стр=0,048 и сопротивлением сдвигу тср=0,071 МПа, а так же на зерне пшеницы с плотностью р=736 кг/м и коэффициентом трения по стали f=0,42. Результаты исследований получены в виде графических зависимостей и в виде уравнений регрессии, построенных по экспериментальным данным.
Влияние угла поворота лопасти у на крутящий момент и производительность ротора при постоянных режимных параметрах представлено на рис. 4.1. и 4.2. С увеличением угла у крутящий момент Т снижается как для навоза, так и для зерна. При увеличении у с 40 до 55 снижение Т составляет для зерна 20,7% (с 152,5 Нм до 120,8 Нм), для перепревшего навоза - 17,6% (с 255 Нм до 210 Нм). Данные зависимости описываются уравнениями:
Т(у)3=327,473-7,307у+0,0872у2-3,9Е-04у3 (4.1)
Т(у)„=449,421-6,648у+0,05259у2-1,98Е-04у3 (4.2) 90
Минимальное значение крутящий момент имеет при максимальном угле у. Такой характер изменения объясняется тем, что с увеличением угла поворота уменьшается масса груза, захватываемого лопастью, соответственно, уменьшается и сопротивление их вращению. Крутящий момент на валу ротора для навоза в 1,5...1,8 раз выше, чем для зерна. Последнее связано с большим коэффициентом трения навоза по стали, а так же с сопротивлением навоза отделению лопастями от основного массива. С точки зрения затрат энергии на работу питателя необходимо стремиться к
наименьшему крутящему моменту. Однако, при максимальных углах у, которым соответствует наименьший крутящий момент, снижается и производительность питателя.
При небольших углах поворота ( 25...35 град) лопасти общая производительность Q0 захвата груза имеет максимальную величину поскольку в этом случае наибольшее значение имеет рабочий объем лопасти. Однако не весь захваченный лопастью груз подается к отгрузочному транспортеру. Большая часть разбрасывается лопастью за областью отгрузочного транспортера, а некоторая его часть выталкивается обратно в основной массив. Так, при у=25 (град) для зерна производительность захвата составила 17,0 (кг/с), полезная производительность — 10,8 (кг/с); для навоза при у=40 (град), соответственно 17,6 (кг/с) и 12,2 (кг/с). С увеличением угла поворота изменяется характер взаимодействия лопасти с грузом. Передняя кромка лопасти разворачивается в сторону груза, задняя — отходит от него. Такое положение увеличивает часть груза, направляемую лопастями к отгрузочному транспортеру, хотя общая производительность при этом несколько снижается. Взаимодействие лопасти с навозом при угле у близком к оптимальному представлено на рис. 4.3. Для зерна при угле у=55...60 град практически вся масса, захватываемая лопастями, перемещается и разгружается в зоне отгрузочного транспортера. Дальнейшее увеличение угла поворота лопасти приводит к снижению как общей, так и полезной производительности за счет уменьшения ширины захвата, а так же уменьшения рабочего объема лопастей и их разгрузки за областью отгрузочного транспортера. Изменение производительности от угла поворота лопастей описывается следующими уравнениями:
- для зерна Q(y)o=17,685+0,01402y+l,216E - 04у - 1,7284Е - 05 у3 (4.3) Q(y)n=4,194+0,3398y - 7,725Е - (My2 - 3,4568Е - 05 у3 (4.4) - для навоза
Q(y)0=18,17-0,1025y+2,175E-03y2-2,222E-05 у3 (4.5)
Q(y)n=-3,683+0,4196y -8,783 Е - 04У2 - 2,469Е - 05 у3 (4.6)
Анализ полученных зависимостей показывает, что оптимальный угол поворота для зерна составляет 55...60 градусов, для навоза -65...70 градусов. В этом случае имеет место наибольшая производительность ротора с разгрузкой в зоне отгрузочного транспортера.
