Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследований... 7
1.1. Краткий анализ устройств для стимулирования процесса истечения сыпучих материалов из бункеров 7
1.2. Анализ работ по исследованию явления статического сводообразования в сыпучих телах, находящихся в граничных условиях 19
ГЛАВА II. Теоретические предпосылки механики статического сводообразования влажных сыпучих тел в бункерах зерноуборочных комбайнов 31
2.1. Выбор модели влажного сыпучего тела и обоснование допущений 31
2.2. Возможные условия видов движения зерновых материалов в бункере зерноуборочного комбайна 37
2.3. Условие, определяющее устойчивость статических сводов в бункере 40
2.4. Форма кривой и стрела статически устойчивого свода 43
2.5. Наибольшие сводообразующие размеры щелевых выпускных отверстий бункеров 48
2.6. Влияние наибольших сводообразующих размеров щелевых выпускных отверстий бункеров на их технологические параметры 50
2.7. К определению условий технологической надежности функционирования системы "щелевое отверстие бункера - выгрузной шнек" 52
Выводы 55
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования 56
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 56
3.2. Приборы и оборудование для проведения экспериментальных исследований 57
3.3. Программа и частные методики проведения экспериментальных исследований 62
ГЛАВА IV. Результаты исследований и их анализ 71
4.1. Физико-механические свойства влажных сыпучих материалов 71
4.2. Определение границы перехода видов истечения сыпучих материалов в бункерах 71
4.3. Влияние формы частиц влажного сыпучего тела на его расход из щелевого бункера и частоту пульсации потока 75
4.4. Определение наибольших сводообразующих размеров выпускных отверстий щелевых бункеров 79
4.5. Определение расхода и частоты пульсации потока сыпучих тел, истекающих из выпускных отверстий щелевых бункеров 80
Выводы 85
ГЛАВА V. Последовательность расчета рыхлительного устройства для бункера зерноуборочного комбайна 87
5.1. Рыхлительное устройство бункера комбайна "Дон-1500".. 87
5.2. Последовательность расчета устройства 89
5.3. Пример расчета устройства 90
ГЛАВА VI. Экономическая эффективность внедрения рыхлительного устройства для бункеров комбайна "Дон-1500" 91
Общие выводы 98
Литература 99
Приложения 114
- Краткий анализ устройств для стимулирования процесса истечения сыпучих материалов из бункеров
- Возможные условия видов движения зерновых материалов в бункере зерноуборочного комбайна
- Приборы и оборудование для проведения экспериментальных исследований
- Определение границы перехода видов истечения сыпучих материалов в бункерах
Введение к работе
Бункерное устройство - один из основных рабочих органов зерноуборочных комбайнов. Его главные функции - это, во-первых, временное аккумулирование зерна в процессе обмолота зерновых и технических культур и, во-вторых, выгрузка зерна в транспортное средство.
Технологические простои бункерных устройств, наблюдаемые при выгрузке из них зерновых материалов, негативно сказываются не только на работе зерноуборочного комбайна, но и всего уборочного комплекса. Так, по данным исследований ВНИПТИМЭСХ и других ведущих НИИ Российской Федерации [1], а также по результатам зарубежных исследований [2], потери рабочего времени от этих простоев составляют в среднем от 10 до 20 % общего времени смены.
Работа бункерного устройства зерноуборочного комбайна оценивается показателем, характеризующим его технологическую надежность, то есть характеризуется его способностью не нарушать стабильность протекания технологического процесса в целом.
Одной из причин нарушения нормальной работы бункерного устройства зерноуборочных комбайнов является образование в зоне его щелевых выпускных отверстий устойчивых сводчатых структур, возникающих в потоке самого зернового материала [3]. Как показывает производственный опыт [4], устойчивость последних заметно повышается, если зерновая масса, поступающая в бункер комбайна, имеет засоренность и влажность выше нормальной [5] - в пределах, предусмотренных ОСТом.
Вибраторы, устанавливаемые в полости бункера комбайна для стимулирования истечения зерновой массы, зачастую не обеспечивают его технологическую надежность. Использование в этих случаях дополнительных, как правило, примитивных средств, приводит к травматизму комбайнеров, заканчивающемуся порой смертельным исходом.
Недостаточная эффективность работы существующих рыхлительных
5 средств (вибраторов), устанавливаемых в полостях бункеров зерноуборочных комбайнов, обусловлена тем, что их конструктивные и технологические параметры не соответствуют конструктивным параметрам бункеров комбайнов и физико-механическим свойствам тех зерновых материалов, которые аккумулируются в их полостях.
Как правило, эти параметры рыхлительных устройств определяются экспериментально, без научного их обоснования, то есть данные эксперимента не охватывают весь спектр физико-механических свойств зерновых культур, которые могут убираться комбайнами.
Проблема разрешения этого противоречия является актуальной не только с научной и практической точек зрения, но также актуальна и с точки зрения обеспечения технической безопасности персонала, обслуживающего зерноуборочные машины.
Из вышеизложенного следует цель, объект и предмет исследований.
Цель исследований - разработка теоретических предпосылок процесса истечения зерновых материалов из выпускных отверстий бункеров зерноуборочных комбайнов и создание на их основе рыхлительных устройств, обеспечивающих технологическую надежность их функционирования.
Объект исследований - процесс истечения зерновых материалов из полостей бункеров зерноуборочных комбайнов в условиях образования в них устойчивых сводчатых структур.
Предмет исследований - бункер зерноуборочного комбайна.
На защиту выносятся следующие научно обоснованные положения: механическая модель сыпучего тела, допускающая образование сводчатых устойчивых структур в потоке зернового материала; теоретические предпосылки процесса истечения зерновых материалов из выпускных отверстий бункера зерноуборочного комбайна, учитывающие образование устойчивых сводчатых структур; методика расчета рыхлительных средств, улучшающих процесс вы- грузки зерновых материалов из полости бункера зерноуборочного комбайна. Работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии сельхозмашиностроения в соответствии с планами НИР академии,
Краткий анализ устройств для стимулирования процесса истечения сыпучих материалов из бункеров
В процессе изучения состояния вопроса был осуществлен патентный поиск относительно всевозможных устройств, предназначенных для стимулирования выгрузки зерновых материалов с повышенной влажностью из бункеров и, в частности, из бункеров зерноуборочных комбайнов. Кроме того, дан анализ работ отечественных и зарубежных ученых, занимавшихся и занимающихся в настоящее время изучением явления статического сводооб-разования сыпучих материалов, находящихся в граничных условиях. Такой подход к изучению состояния вопроса, на наш взгляд, позволяет более подробно и последовательно провести аналитический анализ темы диссертационной работы и, в конечном счете, сформулировать задачи исследований и рабочую гипотезу.
По авторскому свидетельству № 938823 от 30.06.1982 г. Б № 24 (авторы В.А. Богомягких, М.И. Зубрилин, А.А. Лянник и А.Г. Смирнов) бункер 1 зерноуборочного комбайна (рис. 1.1) содержит козырек 2, установленный над выгрузным шнеком 3. Козырек предохраняет выгрузной шнек от давления столба зерна в бункере. Козырек выполнен в виде цельной клинообразной детали ступенчатым, со ступенями 4 в виде клиньев, расположенных вершинами вверх. Ступенчатые поверхности скатов козырька снабжены подвижными относительно них щитками 5, которые служат для изменения размера щели выпускного отверстия бункера в зависимости от связности влажной массы, находящейся в бункере.
Козырек свободными концами опирается на упругие опоры 6, выполненные в виде пружин, установленных с возможностью качания на кронштейнах 7, шарнирно закрепленных в пальцах 8 на пластинах 9 бункера. На пластинах жестко установлены крепежные отверстия ограничителей 10, которые служат для ограничения поперечных колебаний козырьков. Устройство работает следующим образом. В процессе работы комбайн совершает вынужденные колебания в продольно-вертикальной, поперечно-вертикальной и горизонтальной плоскостях. Частота этих колебаний 6-8 Гц. Козырек является подвижной опорой зерна. Он воспринимает вынужденные колебания и вместе с лежащим на нем столбом зерна совершает плавающее колебательное движение относительно бункера 1. При этом ступени козырька способствуют активному разрыхлению зерна в объеме бункера 1 и более эффективному разрушению возникающих над выпускным отверстием статически устойчивых сводов. Таким образом, устройство позволяет повысить технологическую надежность бункерного устройства.
К недостаткам этого устройства следует отнести то, что пружины 8 находятся в массе зернового материала, а само устройство сравнительно сложное в изготовлении и ненадежно в работе.
К такому же типу бункеров относится бункер зерноуборочного комбайна по авторскому свидетельству № 927184 от 15.05.1982 г. Б № 18 (авторы В.А. Богомягких, Г.С. Пархоменко, А.А. Лянник и А.Г. Смирнов) (рис. 1.2). Его отличительные особенности в том, что с целью повышения эффективности устройства предохранительный козырек выпускного шнека выполнен из двух подпружиненных боковин, соединенных между собой шарнирно. В процессе работы комбайн совершает вынужденные колебания в трех плоскостях. Козырек 2 вместе с зерном совершает плавающее колебательное движение относительно бункера 1. Знакопеременная нагрузка вызывает поворот шарнирно соединенных боковин козырька 2 относительно стержня 4. Поворачиваясь в сторону увеличения угла, боковины предохранительного козырька действуют на отогнутые концы пружины 5. Уменьшая угол их закрутки, пружины 5 возвращают боковины козырька 2 в исходное положение, что способствует активному разрыхлению зерна и разрушению возникших в объеме бункера над его выпускными отверстиями статически устойчивых сводов.
Недостатками этого устройства является сложность в изготовлении и его конструктивное вписание в полость существующего бункера зерноуборочного комбайна.
Бункер зерноуборочного комбайна по а.с. № 1524846 от 30.11.1989 г. Б № 44 (авторы В.А. Богомягких, В.П. Забродин, В.В. Петринский) (рис. 1.3) отличается от предыдущих тем, что бункер снабжен фиксаторами козырька и механизмом привода шнека для обеспечения фиксирования козырька при включении шнека. Фиксаторы выполнены в виде кулачковых валов. Управляются фиксаторы из кабины комбайна гидравликой.
Работает устройство от вынужденных колебаний комбайна аналогично предыдущим устройствам. Единственное его преимущество в сравнении с ними - это то, что устройство может управляться из кабины комбайнера. Его недостаток в том, что оно сложно в изготовлении и трудно вписывается в полость существующего бункера комбайна. Подробнее описание этого устройства показано на рис. 1.3а.
Изобретение по авторскому свидетельству № 1729948 от 30.04.1992 г. Б № 16 (авторы В.А. Богомягких и другие) также относится к изобретениям устройств, предназначенных для разрушения сводов, но не статических, а неустойчивых (динамических), возникающих в массе зернового потока в бункере в преддверии образования статически устойчивых структур (рис. 1.4).
Возможные условия видов движения зерновых материалов в бункере зерноуборочного комбайна
Нарушается непрерывность процесса истечения, который становится пульсирующим, причем частота пульсации совпадает с частотой образования динамических сводов.
Динамические своды образуются в любой период времени, начиная с момента заполнения бункера сыпучим материалом, и заканчиваются полной его разгрузкой. Динамические своды при определенных условиях могут переходить в статические своды.
Статические устойчивые своды обладают свойством выдерживать нагрузку вышележащих слоев сыпучего материала, независимо от времени ее действия. При этом истечение сыпучего тела из выпускного отверстия бункера полностью прекращается.
Появление неустойчивых сводов возможно в любом объеме бункера по всей высоте потока сыпучего материала. Процесс сводообразования в бункере происходит постоянно, даже во время заполнения его сыпучим материалом. Разрушение неустойчивых сводов происходит из-за неспособности свода выдерживать нагрузку вышележащих слоев сыпучего тела. Составляющая силы, действующая в плоскости соприкосновения частиц друг с другом и частиц с поверхностью скольжения потока, больше сил трения между частицами и поверхностью скольжения. Самым нижним, наиболее вероятным местом расположения вершин неустойчивого свода является точка пересечения линий скольжения частиц над выпускным отверстием. Уменьшение размеров выпускного отверстия не изменяет общего характера образования и разрушения неустойчивых сводов, а только уменьшает число участвующих в образовании сводов частиц. На каком-то этапе истечения сыпучего материала может возникнуть такая ситуация, когда сдвигающее усилие, действующее в любой точке образовавшеюся нижнего свода, окажется меньше сил трения между его частицами и плоскостью скольжения потока. Тогда этот свод не разрушается и истечение сыпучего материала прекратится.
Следовательно, случайные структуры, которые образуются в сыпучих телах, представляют собой дискретные статические ансамбли твердых частиц. Эти ансамбли бывают двух видов: динамические (неустойчивые) во времени и статические устойчивые, но те и другие препятствуют истечению сыпучего тела из отверстия бункера.
Динамическими сводами называются сводчатые структуры, которые, образуясь, некоторое время выдерживают нагрузку вышележащих слоев сыпучего тела, а затем разрушаются. Период их существования мал по сравнению с общим временем истечения, но они вызывают резкое торможение истекающего потока сыпучего материала за счёт снижения скорости движения частиц.
В своей работе [43] проф. Л.В. Гячев динамические (неустойчивые) своды называет скользящими. Он не отрицает их переход в статически устойчивые своды и даже определяет, при каких условиях они становятся статически устойчивыми (при Д„,св, {3-5)-dy, где Днсе. - наибольший сводооб разующий размер поперечного сечения бункера; dy - условный диаметр частиц сыпучего тела). Но это условие определено для сыпучих тел при их влажности W 14-16 %. В реальных же условиях, как правило, JF 14-16 % и, следовательно, Дн.св. будут другими, учитывающими пленочную агдезию при взаимодействии частиц в сыпучем теле.
Таким образом, на основании анализа состояния вопроса можно сделать вывод о том, что результаты теорий описывающих механику статического сводообразования в бункерах и, в частности, в бункерах зерноуборочных комбайнов требует своего дальнейшего уточнения с точки зрения учета повышенной влажности бункерного зернового материала. Это позволит научно обосновать методику расчета технических средств, улучшающих функционирование бункеров зерноуборочных комбайнов типа "Дон".
В связи с изложенным в работе решаются следующие основные задачи: обоснование допущений и выбор модели сыпучего тела; разработка теоретических предпосылок, описывающих статическое сводообразование влажных зерновых материалов в бункерах зерноуборочных комбайнов; разработка методики инженерного расчета сводоразрушающих устройств, повышающих технологическую надежность функционирования бункеров зернокомбайнов. В качестве рабочей гипотезы нами высказано предположение о том, что технологическую надежность функционирования бункеров зерноуборочных комбайнов можно повысить за счет постановки в их полостях рыхли-тельных устройств, воздействующих на замковую частицу свода, в отличие от существующих, которые воздействуют на опоры свода. Параметры и режимы работы этих устройств должны соответствовать физико-механическим свойствам зерновых материалов и конструктивным параметрам бункеров.
Приборы и оборудование для проведения экспериментальных исследований
В предыдущей главе были описаны теоретические предпосылки статического сводообразования влажных сыпучих тел в бункерах зерноуборочных комбайнов. На основе комбинированной модели сыпучего тела с учетом статического сводообразования. Основным параметром, характеризующим статическое сводообразование таких сыпучих тел, является наибольший сводо-образующий размер щелевого отверстия бункера. Он зависит как от физико-механических свойств влажных сыпучих материалов, так и от конструктивных параметров бункера зернокомбайна. Способность влажных сыпучих тел образовывать статические сводчатые структуры есть физическое явление, определяющее процесс истечения и являющееся основным фактором, влияющим на расход сыпучего тела из бункера. Целью проводимого эксперимента является подтверждение выявленных теоретических зависимостей и проверка основных допущений принятой модели сыпучего тела, а также получение экспериментальных данных, которые не имеют аналогов в работах других исследователей, опубликованных ранее. В связи с этим экспериментальные исследования включали решение следующих основных задач: определение физико-механических свойств исследуемых в работе сыпучих материалов; определение по высоте бункера вида истечения сыпучего материала (гидравлический, нормальный или смешанный); определение влияния формы частиц сыпучего тела на его расход из бункера; определение наибольших сводообразующих размеров выпускных отверстий бункеров для исследуемых сыпучих материалов; определение частоты пульсации потока7 истекающих из выпускных отверстий бункеров сыпучих материалов с учетом статического сводообразо-вания и ее влияние на расход сыпучего материала из бункера; определение режима работы рыхлительного устройства. Экспериментальная установка предназначена для изучения влияния параметров бункера (формы бункера, формы выпускного отверстия бункера и угла наклона стены днища бункера к вертикали) на процесс истечения сыпучих тел, его характер, а также сводообразования сыпучих тел и частоты сводообразования статических устойчивых сводов. Экспериментальная установка представляла собой бункеры-емкости со сменными насадками в их нижней части (рис.3.1), параметры которых приведены в табл.3.1; стола для приборов и аккумулирующей емкости. Сменные бункера крепились и фиксировались в вертикальной плоскости на столе специальными кронштейнами. Аккумулирующая емкость предназначалась для аккумулирования сыпучих материалов, истекающих из сменных бункеров. Производилась синхронная запись данных эксперимента в семи сечениях экспериментального бункера. Записывались: скорость истечения сыпучего тела, его расход, частота пульсации потока сыпучего тела, период существования и разрушения статических сводов в семи поперечных сечениях бункера, а также их частота образования. Производилась расшифровка кадров скоростной киносъемки для соответствующих семи поперечных сечений бункера. Скорость съемки 150-300 кадров в секунду с отметчиком времени. Одновременно велась запись на ленту осциллографа Н-700 скорости, расхода и частоты пульсации потока сыпучего тела. Дешифровка кадров съемки и обработка записи процесса на ленте осциллографа производились совместно. Кроме того, производилось дублирование замеров при определении расхода, скорости и частоты пульсации потока сыпучего тела, истекающего из опытного бункера. В табл.3.2 представлены данные машиноиспытательных станций различных почвенно-климатических зон страны о максимально возможной влажности бункерного зерна.
Определение границы перехода видов истечения сыпучих материалов в бункерах
В настоящей работе рассматривался влажный сыпучий материал, а именно: овёс, горох, просо, семена подсолнечника, зёрна пшеницы, зёрна ячменя, кукуруза. Определение физико-механических свойств сыпучего материала проводилось по методике, изложенной выше. Результаты экспериментальных исследований приведены в табл.4.4. Диапазон влажности зерновых материалов колебался от 16 до 30 %.
Существуют три вида истечения сыпучего тела из выпускного отверстия бункера - гидравлический, нормальный и смешанный. В бункерах комбайнов наибольшее распространение получил смешанный вид истечения, который наблюдался и в экспериментальном бункере при истечении гороха и подсолнечника. При истечении из бункера ячменя, проса, пшеницы и кукурузы наблюдается гидравлический вид истечения. Тот или иной вид истечения зависит не только от формы и конструктивных параметров бункеров, но и от физико-механических свойств сыпучих материалов. Границу перехода по высоте бункера гидравлического вида истечения в нормальный вид определяли визуально, а также при обработке результатов фотографирования объекта для каждого сыпучего материала при различных формах и размерах выпускного отверстия. Теоретическая граница перехода гидравлического вида истечения в нормальный вид по высоте бункера определялась по известной формуле проф. В.А. Богомягких (2.9). Результаты экспериментальных исследований представлены в табл.4.2. Данные экспериментальных исследований показывают, что на положение границы перехода гидравлического вида истечения сыпучего тела в нормальный оказывают влияние физико-механические свойства сыпучего тела, аккумулированного в бункере. Данные экспериментальных исследований подтверждают зависимость аи от физико-механических свойств сыпучего материала и правильность его расчёта по методике проф. В.А. Богомягких [23]. На положение границы перехода гидравлического вида истечения в нормальный не оказывают влияние форма выпускного отверстия и угол наклона стенок днища бункера (только при нормальном виде истечения сыпучего тела из выпускного отверстия бункера). Исследования показали, что ордината расположения границы перехода гидравлического вида истечения в нормальный вид Нб находится в линейной зависимости от разности между размерами бункера и выпускного отверстия AD в одном поперечном сечении бункера. Она зависит от формы выпускного отверстия. Граница перехода гидравлического вида истечения в нормальный линейно зависит как от размеров бункера, так и от размеров выпускного отверстия. Данный вывод наглядно показан на рис.4.1.
На рис.4.2 показана зависимость расположения границы перехода гидравлического вида истечения в нормальный для всех значений AD от "текучести" сыпучего материала, которая характеризуется углом аи. Она изменяется по гиперболе, увеличиваясь для сыпучих материалов менее "текучих" и уменьшаясь для сыпучих, имеющих большую подвижность частиц.
Принятая модель сыпучего тела недостаточно полно учитывает форму частиц реального сыпучего материала. Поэтому в работе этот вопрос рассмотрен достаточно полно. Численные значения коэффициентов формы частиц представлены в табл.2.1, а численные значения коэффициентов искажения формы частиц представлены в таблице 4.3.
Расход сыпучего тела зависит от формы частиц сыпучего материала. На рис.4.3 и 4.4 рассмотрена зависимость расхода сыпучего тела из выпускного отверстия бункера от формы частицы сыпучего материала, которая выражена через коэффициент формы частиц. Сыпучий материал, который используется в сельхозпроизводстве, близок по своим физико-механическим свойствам, но отличен по своей форме. На рис.4.3 представлена зависимость расхода сыпучего тела от формы частиц для различного сыпучего материала, а на рис.4.4 представлена теоретическая зависимость расхода от частицы на примере проса (экспериментальные исследования по этому вопросу выполнены совместно с А.Ф. Рева [100]).
Данные графиков, представленных на рис.4.3 и 4.4, свидетельствуют о линейной зависимости между коэффициентом формы частицы сыпучего материала и расходом сыпучего тела из бункера. С увеличением коэффициента формы частицы расход сыпучего материала в единицу времени снижается, а частота пульсации потока сыпучего тела возрастает. Следовательно, сводчатые структуры, которые возникают по всей высоте засыпки сыпучего материала в бункере, становятся менее устойчивы во времени.
