Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований... 9
1.1. Технологические линии заготовки грубых кормов прессованием... 9
1.2. Конструкции и принципы действия грузозахватных устройств для погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков 16
1.3. Анализ работы грузозахватных устройств для крупногабаритных прямоугольных тюков 24
1.4. Исследование физико-механических свойств грубых кормов 30
1.5. Исследование взаимодействия рабочих органов с грубыми кормами 35
1.6. Выводы, цель и задачи исследований 38
2. Теоретическое исследование работы вилочно-когтевого грузозахватного устройства 41
2.1. Теоретический анализ процесса погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков грубых кормов 41
2.2. Конструктивно-технологическая схема вилочно-когтевого грузозахватного устройства 51
2.3. Теоретическое исследование процесса захвата и удержания крупногабаритного прямоугольного тюка вилочно-когтевым грузозахватным устройством 57
2.3.1. Определение усилия внедрения дугообразного когтя в материал тюка 57
2.3.2. Определение условий надежного удержания тюка вилочно-когтевым грузозахватным устройством 65
2.4. Обоснование параметров вилочно-когтевого грузозахватного устройства 69
2.5. Выводы 73
3. Методика экспериментальных исследований 75
3.1. Методика лабораторно-полевых экспериментов 75
3.1.1. Выбор факторов оптимизации, определение повторности опытов и порядка их проведения 75
3.1.2. Определение физико-механических свойств материала тюков грубых кормов 78
3.1.3. Лабораторная установка 82
3.1.4. Подготовка и выполнение лабораторно-полевых исследований 86
3.2. Методика обработки опытных данных 91
3.3 Методика проведения производственных испытаний 92
3.4 Выводы 95
4. Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний 96
4.1. Результаты лабораторно-полевых экспериментов 96
4.1.1. Результаты исследования технологических и физико-механических свойств материала тюка 96
4.1.2. Влияние параметров фузозахватного устройства на усилие внедрения и коэффициент удержания тюка 103
4.2. Результаты производственных испытаний вилочно-когтевого грузозахватного устройства 116
4.3. Анализ времени рабочего цикла пофузчика 124
4.4. Технико-экономическая оценка использования вилочно-когтевого грузозахватного устройства 127
4.5. Выводы 129
Общие выводы 131
Список используемой литературы 133
Приложения 143
- Конструкции и принципы действия грузозахватных устройств для погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков
- Теоретический анализ процесса погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков грубых кормов
- Выбор факторов оптимизации, определение повторности опытов и порядка их проведения
- Результаты исследования технологических и физико-механических свойств материала тюка
Введение к работе
Важнейшей задачей сельского хозяйства является полное удовлетворение потребностей населения страны в высококачественных продуктах питания и обеспечение сырьём различных отраслей перерабатывающей промышленности.
Для решения данных задач необходимо развивать основные отрасли сельского хозяйства растениеводство и животноводство с применением эффективных ресурсосберегающих технологий, достижений науки и передовой практики [1].
Развитие животноводства неразрывно связано с созданием прочной кормовой базы и, в частности, увеличением производства высококачественных грубых кормов и повышением их сохранности [2].
Наиболее полно соответствует этим требованиям технология заготовки грубых кормов (сено, солома) прессованием в крупногабаритные рулонные и прямоугольные тюки. Данная технология позволяет механизировать все технологические операции, снизить потери материала при осуществлении транспортно-производственного процесса, упростить процесс контроля и повысить сохранность заготавливаемого корма [3].
Однако широкое распространение технологий заготовки грубых кормов в крупногабаритных тюках сдерживается низкой производительностью и малой эффективностью погрузочных средств [4;5;6]. Низкая производительность погрузочных операций объясняется тем, что существующие сельскохозяйственные фронтальные погрузчики ПКУ-0,8; СНУ-550; ПФ-0,5 при работе с тюками, как штучным грузом, вынуждены тратить значительную часть погрузочного цикла на непроизводительные перемещения при операциях подбора и укладки тюков в штабель, связанных в основном с несовершенством конструкций грузозахватных устройств, способов захвата и погрузки [6;7].
При этом происходят значительные затраты энергетических ресурсов на погрузку и транспортировку, что приводит к высокой себестоимости работ и снижает эффективность транспортно-производственного процесса заготовки грубых кормов в крупногабаритных тюках. Увеличивается время вывозки тюков с поля, что приводит к увеличению вероятности попадания под дождь и ухудшению качества заготавливаемого корма [8]. Поле не освобождается от тюков в требуемые сроки, что задерживает проведение последующих агротехнических мероприятий. Нерешенность задачи эффективной погрузки тюков не позволяет заготавливать грубые корма в требуемые агротехнические сроки с наименьшими потерями качества заготавливаемого корма.
Для повышения эффективности заготовительных работ необходимо разрабатывать грузозахватные устройства для тюков, конструкция которых не препятствовала бы плотной укладке штабеля, предусматривала маневренность при подборе и укладке тюка в штабель, не нарушая при этом целостности тюка и тюков ранее уложенных в штабель. Кроме того, необходимо совершенствовать технологический процесс уборки тюков с поля. Сокращение времени на операциях переезда от тюка к тюку, наиболее полное использование грузоподъемности транспортных средств повысит производительность и сэкономит затраты на ТСМ.
Повышение эффективности работы погрузчиков крупногабаритных тюков грубых кормов, путём совершенствования и обоснования процессов погрузки, конструктивно-технологических схем и оптимизации параметров грузозахватных устройств является актуальной задачей, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение.
В представленной диссертационной работе эта задача решается путем научного анализа и обоснования выбора технического решения, а также за счет теоретических и экспериментальных исследований.
Диссертационная работа выполнялась с 2001 года в СГАУ им. Н.И. Вавилова" 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".
Конструкции и принципы действия грузозахватных устройств для погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков
Наиболее важным признаком грузозахватных устройств для погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков является способ захвата груза. Способ захвата груза определяет конструктивные отличия грузозахватного устройства и принцип его действия, а, следовательно, и схему работы погрузчика.
В соответствии с классификацией разработанной Глухаревым В.А. [26;41;42] по способу захвата грузозахватные устройства для крупногабаритных прямоугольных тюков подразделяются на проникающие и зажимающие.
Грузозахватные устройства проникающего типа производят захват и удержание тюка за счет внедрения в него захватных органов. Такие устройства можно разделить по виду захватных органов на когтевые (активные захватные органы дугообразной формы) и штыревые (пассивные захватные органы прямолинейной формы).
Зажимающие грузозахватные устройства осуществляют захват и удержание тюка за счет усилия сжатия, по форме и траектории движения захватных органов их можно разделить на тисковые и клещевые. Траектория движения тисковых захватных органов представляет собой прямую линию, а траекторией движения клещевых захватных органов является дуга окружности.
Грузозахватные устройства для погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков проникающего действия представлены когтевым ПТ-Ф-500 (рис. 1.4) [8;43], штыревой грабельной решеткой (рис. 1.5) [27;28;44], приспособлением фирмы Claas (рис. 1.6) [27;28;45] и устройством "Weiss Master" (рис. 1.7)[46;47].
Отечественное когтевое грузозахватное устройство с активными захватными органами ПТ-Ф-500 (рис. 1.4) предназначено для подбора крупногабаритных тюков и рулонов с поля, погрузки их в транспортные средства и укладки в штабель. Устройство монтируется на раму подъема ПКУ-0,8, ПФ-0,5, а также на навесную систему трактора класса 1,4.
ПТ-Ф-500 (рис. 1.4) состоит из следующих основных сборочных единиц: навески 1; бруса 2; верхнего захвата 3 с четырьмя дугообразными когтями и гидроцилиндром 4; нижнего захвата 5 с шестью дугообразными когтями и гидроцилиндром 6; рукавов высокого давления и маслопроводов (на рис. не показаны). Верхний захват 3 шарнирно закреплен на брусе 2, а нижний захват 5 на навеске 1. Когти захватов внедряются в тюк или рулон с помощью гидроцилиндров 4 и 6.
Для погрузки крупногабаритных тюков устройство устанавливают горизонтально, так, чтобы брус 2 перемещался параллельно земле на расстоянии 1,5-2,0 м от нее, ориентируют устройство в горизонтальной плоскости и подъезжают к длинной стороне тюка, пока навеска 1 не коснется его. Опускают устройство до касания брусом 2 верхнего основания тюка, тем самым, производя ориентацию устройства в вертикальной плоскости. Затем зажимают тюк захватами 3 и 5, поднимают, транспортируют и укладывают. Освободив захваты, поднимают грузозахватное устройство и отъезжают. Максимальные размеры захватываемых тюков 1200 X 1100 X 2400 мм, массой до 500 кг. Конструктивная масса 180 кг [8;43]. Широкое распространение получила грабельная решетка (рис. 1.5) с пассивными захватными органами. Она применяется для подбора крупногабаритных тюков и рулонов, их транспортировки и укладки в транспортные средства или штабель. Устройство монтируется на раму подъема фронтальных погрузчиков. Грабельная решетка (рис. 1.5) содержит раму 1; кронштейны крепления к стреле погрузчика 2; штыри 3. Для погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков погрузчик с устройством, находящемся в горизонтальном положении, подъезжает к длинной стороне тюка, ориентируя устройство в горизонтальной плоскости. Ориентирует устройство в вертикальной плоскости и продолжает движение до полного внедрения штырей 3 в тюк. Для фиксации тюка от соскальзывания, устройство поворачивается относительно рамы подъема, используя гидроцилиндры погрузчика. Тюк поднимается, перемещается на необходимое расстояние, укладывается и освобождается от фиксации. Освобождение тюка от захвата происходит при отъезде погрузчика. Устройство применяется для тюков различных геометрических размеров. Приспособление немецкой фирмы Claas (рис. 1.6) предназначено для подбора, перемещения, погрузки в транспортные средства и укладки в штабель крупногабаритных тюков сено-соломистых материалов. Приспособление агрегатируется с фронтальными погрузчиками и погрузчиками с телескопической стрелой. Приспособление (рис. 1.6) состоит из рамы 1; навески 2; верхнего захвата 3; гидроцилиндра 4; девяти прямых штырей 5; маслопроводов и гидравлической арматуры (на рис. не показаны). Верхний захват 3 шарнирно закреплен на раме 1 и представляет собой четыре заостренные дугообразные полосы, соединенные перемычками.
Теоретический анализ процесса погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков грубых кормов
Технологические схемы уборки крупногабаритных прямоугольных тюков грубых кормов, применяемые в настоящее время в сельском хозяйстве основаны на применении универсальных фронтальных погрузчиков типа ПКУ-0,8; ПФ-0,5; СНУ-550. Такие погрузчики являются наиболее эффективными на операциях подбора тюков с поля, погрузки тюков в транспортные средства, формирования и разборки штабеля тюков [66].
Существующие грузозахватные устройства обладают рядом недостатков: одни устройства могут повреждать тюки при погрузке, другие не способны захватывать тюки различных геометрических размеров, третьи не обеспечивают плотной укладки тюков в транспортные средства и в штабель, и почти у всех устройств увеличено время погрузочно-разгрузочного цикла из-за затрудненной ориентации относительно тюка, что особенно важно при движении погрузчика поперек следа пресс-подборщика, для снижения расстояний переездов от тюка к тюку и увеличения производительности [68;69;70].
На основании патентно-информационного поиска и анализа конструкций существующих грузозахватных устройств была разработана новая конструктивно-технологическая схема вилочно-когтевого грузозахватного устройства к универсальному фронтальному погрузчику для погрузки крупногабаритных прямоугольных тюков.
Технической задачей предлагаемой конструкции является обеспечение простой и точной ориентации грузозахватного устройства в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечение надежного удержания тюков различных геометрических размеров без повреждения обвязочного материала при минимальных энергетических затратах. Вилочно-когтевое грузозахватное устройство (рис. 2.7) содержит брус 1 с кронштейнами 2 для крепления к погрузчику, захват 3 с дугообразными когтями 4, гидроцилиндр 5 и прижимную ориентирующую раму 6, на вертикальных стойках которой имеются регулировочные отверстия 7. Прижимная ориентирующая рама 6 способна перемещаться в кронштейнах-направляющих 8 и фиксироваться в необходимом положении при помощи пальцев 9 [73;74]. Перед началом погрузочных работ грузозахватное устройство необходимо отрегулировать под данный размера тюка (рис. 2.8). Регулировка предполагает перемещение прижимной ориентирующей рамы в кронштейнах-направляющих и ее фиксацию в положении, при котором внедрение дугообразных когтей в тюк обеспечивается на расстоянии а=0,1.. .0,2 м от поверхности поля (рис. 2.9).
В технологической линии уборки кормов в крупногабаритных прямоугольных тюках вилочно-когтевое грузозахватное устройство выполняет операции показанные на рисунке 2.10 [68;73;74]. Погрузчик с грузозахватным устройством подъезжает к длинной боковой стороне тюка. При подъезде с угловым смещением (рис. 2.11.а), погрузчик продолжает движение и за счет "напорного" действия выравнивает тюк брусом и вертикальными стойками прижимной ориентирующей рамы, обеспечивая точную ориентацию устройства в горизонтальной плоскости (рис. 2.11.6). Для ориентации устройства в вертикальной плоскости стрела погрузчика переводится в "плавающее" положение и опускается под действием собственного веса, при этом прижимная ориентирующая рама ложится на тюк, прижимает его и определяет высоту внедрения дугообразных когтей (рис. 2.11.в). После этого, посредством гидроцилиндра захват поворачивается в шарнирах, и дугообразные когти внедряются в свободную от обвязки длинную боковую сторону тюка. После захвата тюк поднимается стрелой погрузчика на необходимую высоту и транспортируется к месту разгрузки [6 8; 73; 74].
При неточной укладке тюка в транспортное средство или в штабель существует возможность корректировки положения тюка без дополнительных манипуляций погрузчиком (рис. 2.12). Для этого, не освобождая тюк от захвата, оператор выравнивает его за счет движения трактора.
Достоинствами конструкции являются: простое ориентирование грузозахватного устройства в вертикальной и горизонтальной плоскостях, благодаря чему снижается утомляемость оператора; наличие регулировки, что обеспечивает надежный захват тюков различных геометрических размеров или сдвоенных тюков (рис. 2.8.6). Устройство позволяет производить укладку тюков в транспортные средства или в штабель на хранение плотно друг к другу за счет того, что захват производится за верхнее основание и длинную боковую сторону тюка не контактирующие с тюками, ранее уложенными в штабель или транспортное средство [68;73;74].
Предлагаемая конструкция позволяет исключить риск повреждения соседних тюков, при разборке штабеля, за счет заданной регулировкой высоты внедрения дугообразных когтей. Устройство позволяет сократить время погрузочного цикла за счет сокращения времени на ориентацию в горизонтальной и вертикальной плоскостях [68].
Выбор факторов оптимизации, определение повторности опытов и порядка их проведения
Исследования проводились с целью определения оптимальных конструктивных параметров разработанного грузозахватного устройства для крупногабаритных прямоугольных тюков грубых кормов. За основной критерий оптимизации было выбран коэффициент удержания тюка на когтях устройства. Согласно рекомендациям [85;86] вторым критерием оптимизации было выбрано усилие внедрения когтей в материал тюка. Сравнение и анализ значений выбранных критериев оптимизации позволят определить конструктивные параметры грузозахватного устройства, способствующие наиболее надежному захвату и удержанию тюка при минимальных энергетических затратах.
Выбор факторов, влияющих на значение основных критериев оптимизации, осуществлялся на основе анализа данных из литературных источников, поисковых опытов и собственных наблюдений. Факторы, влияние которых уже исследовано, а значения оптимизированы другими исследователями, принимались постоянными.
Было установлено, что на усилия внедрения и коэффициент удержания тюка на когтях влияют: - траектория движения точек когтя в массиве груза. Для криволинейного когтя наименьшее сопротивление внедрению возникает в случае совпадения формы внедряемой части когтя с траекторией движения [42;54]. Для дугообразного когтя принято, что каждая его точка должна двигаться по дуге окружности, а точка поворота когтя - находится в центре этой окружности. То, есть длина плеча когтя должна быть равна радиусу этой окружности. Для проведения опытов были назначены три уровня радиусов кривизны когтя: 0,4, 0,5, 0,6 м. Выбор наибольшего радиуса кривизны когтя основан на конструктивных особенностях рамы подъема погрузчика, а также геометрических параметрах тюка и принят максимально возможным для эффективной работы грузозахватного устройства на любой погрузочной высоте. Выбор наименьшего радиуса кривизны основан на поисковом опыте, позволяющем считать радиус меньший 0,4 м неэффективным для работы с крупногабаритными тюками; - угол сектора внедрения дугообразного когтя в материал тюка. Согласно ранее проведенным исследованиям [42;54] было назначено четыре уровня угла сектора внедрения когтя: 45, 55, 65, 75. Наименьший угол сектора внедрения обоснован тем, что при вхождении дугообразного когтя на угол менее 45 создается эффект прямолинейного штыря. Исходя из конструкции грузозахватного устройства и геометрических размеров тюка наибольший возможный угол внедрения равен 75; - форма и площадь поперечного сечения когтя. Для эксперимента согласно исследованиям [42; 5 4] форма поперечного сечения принята круглой. Именно круглая форма поперечного сечения обеспечивает наименьшее усилие внедрения и наиболее надежное удержание. Площадь поперечного сечения такого когтя зависит от диаметра, который определяется согласно прочностным характеристикам материала, из которого он изготовлен и выбирается наименьшим, обеспечивающим надежность конструкции. Для проведения исследований был назначен диаметр когтя равный 0,02 м; - угол при вершине конуса заострения. Согласно исследованиям [26;42;54] данный фактор оказывает существенное влияние на усилие внедрения и для цилиндрического когтя его оптимальное значение составляет 17... 18; - количество когтей. Выбирается наименьшее количество, обеспечивающее надежное удержание самого тяжелого груза и прочность конструкции грузозахватного устройства; - физико-механические свойства материала тюков. Сравнение результатов исследований возможно, если для каждой группы опытов используются тюки из одного материала и образованные одним пресс-подборщиком. Порядок выполнения опытов устанавливался с помощью схемы рандомизированных блоков с доверительной вероятностью 0,9 и среднеквадра-тической ошибкой ±3с, при этом получили число повторности измерений равное 3 [86;87]. Рандомизация опытов проводилась независимо для каждого блока по таблице случайных чисел. Данные результатов рандомизации приведены в приложении. В схеме рандомизированных блоков, по сравнению с другими схемами организации опытов степени свободы для экспериментальной ошибки уменьшаются на число степеней свободы для блоков, что повышает эффективность проводимых опытов [86;87]. Для представления работы вилочно-когтевого грузозахватного устройства с тюками из различного материала и плотности, были заготовлены тюки из сена Суданской травы плотностью 170, 190, 210 кг/м3 и просяной соломы плотностью 120, 140, 160 кг/м3. Опыты проводились для каждого материала и плотности по отдельному плану (приложение). В процессе проведения опытов также определяются: - физико-механические свойства материала тюков: влажность, плот ность, коэффициент бокового расширения и модуль упругости; - технологические свойства тюков: масса, геометрические размеры, расположение на поле.
Результаты исследования технологических и физико-механических свойств материала тюка
Экспериментальные исследования и производственные испытания проводились на крупногабаритных прямоугольных тюках сформированных пресс-подборщиком фирмы "CLAAS" QUADRANT 1150. Тюки прессовались из сена Суданской травы и соломы проса Сара-товское-10. Плотность прессования задавалась в диапазоне технических характеристик пресс-подборщика и составляла в среднем для сена 210, 190, 170 кг/м , для соломы 160, 140, 120 кг/м . Тюки, образованные пресс-подборщиком "CLAAS" QUADRANT 1150 имеют средние геометрические размеры: высота 0,52 м, ширина 0,82 м, длина устанавливалась равной 2,0 м (приложение). Технологические свойства крупногабаритных прямоугольных тюков сена Суданской травы представлены в таблице 4.1. Расстояние между тюками Si, при заданной массе тюка зависит от урожайности культуры, которая сильно варьирует в пределах даже одного отдельно взятого поля [40]. Одним из важнейших свойств оказывающих значительное влияние на плотность материала тюка, коэффициенты трения, напряжения сжатия и разрыва является влажность. Влажность материала тюков определялась в соответствии с методикой [52] и ее среднее значение составило: для сена 17%, для соломы 14%. Для получения значений модуля упругости и коэффициента бокового расширения были проведены опыты по сдавливанию тюков в различных направлениях (рис. 4.1 - 4.2). Результаты опытов приведены в таблицах 4.2 -4.4. На основании анализа полученных данных была выявлена неоднородность материала тюка. Распределение модуля упругости и коэффициента бокового расширения при сжатии материала различной плотности по различным направлениям свидетельствует о том, что внутренние слои тюка имеют большую плотность и меньше деформируются, чем поверхностные. В среднем значения модуля упругости Е внутренних слоев в 1,9...2,6 раза больше значений модуля упругости поверхностных слоев.
Неоднородность материала тюка можно связать с тем, что при выходе тюка из прессовальной камеры пресс-подборщика происходит разуплотнение его поверхностных слоев.
Из таблиц 4.2 - 4.4 видна зависимость упругих характеристик от плотности материала тюка р. Более плотный материал меньше подвергается деформации и имеет большие значения модуля упругости Е и коэффициента бокового расширения //. Увеличение плотности материала р на 40 кг/м3 приводит к росту модуля упругости Е для сена на 46,9...48,8%, для соломы на 55,7...57,6%.
Установлена зависимость упругих характеристик материала от направления сжатия. При приложении нагрузки по оси у были получены значения модуля упругости и коэффициента бокового расширения близкие к значениям полученным при приложении нагрузки по оси х, а показатели полученные при сжатии тюков по оси z существенно от них отличаются. Среднее значение модуля упругости Е в направлении осей х и у меньше среднего значения модуля упругости в направлении оси z: на 43,4% для поверхностных слоев и на 43,2% для внутренних слоев. Эти зависимости можно объяснить, рассмотрев процесс прессования, которое происходит порционно, за счет трения материала о стенки прессовальной камеры при постоянной частоте хода поршня. Плотность прессования регулируется изменением сечения прессовальной камеры посредством регулируемых пластин. В результате отдельная порция тюка имеет одинаковые упругие характеристики по всем направлениям, а сами порции связаны между собой и удерживаются за счет усилия создаваемого обвязкой тюка. Такая структура влияет на деформации, полученные при сжатии: самая маленькая абсолютная деформация получена по осям у их, а самая большая абсолютная деформация получена по оси z. А учитывая, что по оси z тюк имеет наибольшую длину, в 2,5 раза больше чем по оси х и в 4 раза больше чем по у, была получена самая маленькая относительная деформация, которая повлияла на рост значений тельная деформация, которая повлияла на рост значений упругих характеристик Е и // по этому направлению.
При испытании крупногабаритных прямоугольных тюков на продольный изгиб (рис. 4.3) были получены следующие данные (табл. 4.5-4.6).
Данные опыты показали, что изменение плотности материала тюка р не оказывают существенного влияния на процесс продольного изгиба тюков, который связан с особенностями порционной структуры тюка. Максимальная деформация Ah, вызываемая при относительно небольшой нагрузке, говорит о малой прочности материала тюка при продольном изгибе. Во избежание деформации и разрушения тюка при удержании и транспортировке необходимо обеспечить захват сразу в нескольких точках по длинной стороне тюка.
