Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Кислотность почв в ЦЧР и борьба с ней 8
1.2. Классификация и краткая характеристика известковых материалов 11
1.3. Использование серийных машин для внесения карбоната кальция 15
1.4. Обзор и анализ распределяющих устройств машин для внесения минеральных удобрений и мелиорантов 18
1.5. Постановка вопроса и задачи исследования 28
2. Теоретические исследования технологического процесса работы разбрасывателя центробежного типа 32
2.1. Математическое моделирование процесса распределения частиц карбоната кальция рабочим органом центробежного типа 32
2.2. Обоснование принципиальной схемы рабочего органа 48
3. Программа и методика эксперименталбных исследований 51
3.1. программа исследований 51
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований 53
3.2.1. Общие вопросы методики экспериментов 53
3.2.2. Методика определения физико-механических свойств карбоната кальция 57
3.2.3. Определение качественных показателей работы 59
3.2.4, Методика эксперимента по энергооценке 61
3.3. Методика обработки результатов эксперимента 65
3.3.1. Определение неравномерности внесения карбоната кальция 65
3.3.2. Обработка результатов энергетических испытаний 67
4. Резулбтаты исследований и их анализ 69
4.1. Результаты предварительных экспериментальных исследований 69
4.2. Результаты теоретических исследований по обоснованию конструктивных параметров рабочих органов центробежного типа
4.3. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров рабочих органов на качество распределения карбоната кальция 83
4.4. Результаты энергетических экспериментов и их анализ 91
5. Технико-экономическая оценка эффективности применения модернизированных центробежных рабочих органов при распределении карбоната калбция 94
5.1. Общие положения методики расчета экономической эффективности 94
5.2. Расчет экономической эффективности предложенного технического решения 97
Общие выводы 102
Список исполбзованных источников
- Использование серийных машин для внесения карбоната кальция
- Обоснование принципиальной схемы рабочего органа
- Методика определения физико-механических свойств карбоната кальция
- Результаты экспериментальных исследований влияния параметров рабочих органов на качество распределения карбоната кальция
Введение к работе
Актуальность темы. Сельскохозяйственные угодья Воронежской области славятся, прежде всего, черноземом. Однако в результате длительного, порой нерационального использования они утрачивают свое естественное плодородие. В связи с сокращением объемов внесения органических удобрений, применением в основном физиологически кислых форм минеральных удобрений, выпадением кислотных дождей и ряда других причин наметилась тенденция увеличения площадей кислых почв, что ведет к уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур.
Основной путь улучшения плодородия кислых почв – известкование, которое кроме нейтрализации кислотности, способствует повышению эффективности минеральных удобрений, улучшает качество гумуса и т.д. При острой нехватке известковых материалов в области растут огромные залежи отходов промышленных производств, которые можно использовать в качестве мелиорантов, в частности, карбонат кальция химического синтеза – отход производства комплексных минеральных удобрений. Помимо нейтрализации кислотности почв, этот материал может служить и удобрением, так как содержит различные питательные вещества.
Использование данного материала одновременно решает две задачи: утилизируются отходы производства, что ведет к улучшению экологической обстановки, и повышается плодородие кислых почв.
Применение карбоната кальция в настоящий момент сдерживается отсутствием теоретических и экспериментальных исследований технологического процесса распределения данного материала, а также отсутствием рекомендаций по рациональному использованию для этого имеющихся в хозяйстве машин.
Целью работы является повышение равномерности распределения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа машин для внесения минеральных удобрений за счет выбора их рациональных параметров.
Объект исследования: технологический процесс внесения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа.
Предмет исследования: закономерности изменения качественных показателей работы и энергопотребления рабочими органами центробежного типа от их конструктивных и режимных параметров.
Методика исследований: аналитические исследования выполнены на основе математического моделирования. Экспериментальные исследования проводили в лабораторно-полевых и производственных условиях с использованием машины для внесения минеральных удобрений с установленными на нее опытными образцами рабочего органа центробежного типа. Результаты экспериментальных исследований обрабатывали статистическими методами с применением ЭВМ.
Научная новизна заключается:
– в разработке математической модели технологического процесса распределения частиц карбоната кальция модернизированным рабочим органом центробежного типа, отличающейся учетом его конструктивных особенностей (угол установки дополнительных лопаток относительно положения основной лопатки) и места подачи на него материала, которая позволяет определить рациональные значения выше названных параметров, обеспечивающих распределение материала, соответствующее агротехническим требованиям;
– в разработке новой конструкции рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего рациональные параметры распределения карбоната кальция с рабочей шириной внесения до 15 м;
– в теоретически установленных и экспериментально подтвержденных закономерностях процесса распределения частиц материала с учетом конструктивных особенностей и режимов работы модернизированных рабочих органов центробежного типа.
Практическая значимость: реализация нового технического решения рабочего органа центробежного типа (патент РФ №2281640) обеспечивает качественные показатели работы в диапазоне основных доз внесения карбоната кальция, соответствующие агротехническим требованиям.
Реализация результатов исследований. Работа выполнена согласно плану научно-исследовательских работ Воронежского ГАУ. По результатам исследований разработан, изготовлен и испытан в лабораторно-полевых и производственных условиях опытный образец рабочего органа центробежного типа. Кроме того, полученные результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе, при дипломном проектировании и научно-исследовательской работе студентов.
Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторно-полевых исследований, полученных с использованием измерительной аппаратуры при достаточном количестве повторностей опыта, обработкой опытных данных с использованием методов математической статистики и актом проверки результатов исследований в лабораторно-полевых и производственных условиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета (2004-2012 гг.). Опытный образец рабочего органа центробежного типа демонстрировался на выставке «АГРОСЕЗОН-2010. Современная техника и технологии в земледелии и животноводстве».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в их числе 3 – в центральной печати и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников (123 наименования) и приложений. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста и включает 9 таблиц, 25 рисунков. Кроме того, содержит приложения на 25 страницах с 8 таблицами и 16 рисунками.
Использование серийных машин для внесения карбоната кальция
Промышленные известковые материалы специально изготавливаются на промышленных предприятиях из пород с высоким содержанием углекислого кальция и магния. По содержанию СаСОз и MgCCb эти породы подразделяются на известняки (известковая мука) и доломиты (доломитовая мука). Кроме СаСОз и MgCC 3 природные материалы содержат примесь песка и глины, из-за наличия которых снижается их ценность как сырья для производства известковых материалов. Эффективность промышленных известковых материалов во многом зависит от их гранулометрического состава. Наиболее активной частью данных материалов являются фракции 0,25 - 1 мм, а частицы крупнее 1 мм действуют в почве медленно и очень слабо уменьшают ее кислотность. Данные известковые материалы относятся к пылевидным мелиорантам. Они имеют высокую летучесть, содержат не более 2% влаги и при увлажнении быстро цементируются с образованием прочных комков, что затрудняет их хранение и применение. К тому же применение промышленных известковых материалов в современных условиях сдерживается недостатком финансовых средств для их приобретения. Обычно в качестве извест 12 кового материала применяют известь. Однако из-за ее дороговизны и отсутствия финансовых средств мелиорация почв практически не проводится. Применение неполных доз извести способствует преимущественно переходу кислотности почв из одной градации в другую (менее кислую), но не способствует полной ее нейтрализации. Кроме того, из-за непродолжительности действия малых доз извести возникает потребность повторного проведения известкования почвы через 4-5 лет [103].
К местным известковым материалам относятся известковый туф, гажа, мергель, мел и т.д., которые получают из рыхлых (мягких) карбонатных пород вблизи мест их внесения. По своей эффективности они не уступают промышленным известковым материалам. При этом все виды местного известкового материала практически не требуют предварительного размола. Поэтому добыча таких материалов обходится гораздо дешевле. Кроме того, они имеют более высокое содержание углекислого кальция, содержат углекислый магний, фосфор, калий.
Одним из источников пополнения запасов известковых материалов является использование для этих целей кальцийсодержащих побочных продуктов промышленности: сланцевая зола, цементная пыль, металлургические шлаки, дефекат, карбонат кальция химического синтеза и т.д. Использование данных известковых материалов позволит не только повысить плодородие кислых почв, но и уменьшить количество отходов промышленности, которые в настоящее время занимают значительные земельные площади, и загрязняют окружающую среду. По эффективности известковые отходы промышленности нередко превосходят остальные известковые материалы, так как кроме СаСОз содержат в своем составе минеральные вещества и при этом являются наиболее дешевым материалом, практически не требующим дополнительной обработки.
С этой целью в соответствии с договором между Всесоюзным ордена Ленина научно-исследовательским институтом сахарной свеклы (ВНИС НПО „Сахсвекла”) и Россошанским производственным объединением „Ми 13 нудобрения” имени 60-летия СССР (ныне ОАО „Минудобрения”) 1989 1991 годах проведены исследования по изучению агрохимической эффективности и влиянию на продуктивность и технологическое качество сахарной свеклы низкоконцентрированного удобрительного мелиоранта - карбоната кальция химического синтеза. А также на базе Опытной станции Воронежского государственного аграрного университета с 1990 года проводятся исследования по изучению эффективности применения карбоната кальция химического синтеза и его смесей с другими мелиорантами на основных типах почв Черноземья. Проведенные исследования показали, что под влиянием карбоната кальция химического синтеза, применяемого как отдельно, так и в смесях с другими мелиорантами, наблюдалось улучшение почвенного плодородия, в частности, снижение кислотности, насыщение кальцием и улучшение питательного режима почвы. Внесение карбоната кальция химического синтеза и его смесей с другими мелиорантами оказало положительное действие не только на показатели кислотности, но и на урожайность сельскохозяйственных культур на различных почвах. Так, при средней дозе внесения карбоната кальция химического синтеза прибавка урожаев озимой пшеницы составила 8,5 - 9,2 ц/га, яровой пшеницы 5,4 - 6,2 ц/га, озимой ржи 2,5 - 3,7 ц/га, сахарной свеклы 33 - 49 ц/га [39, 72, 82]. Совместное применение карбоната кальция химического синтеза с одним из мелиорантов позволяет сочетать быстрое и продолжительное взаимодействие карбоната кальция с почвой и достаточно сильное последействие других компонентов.
Обоснование принципиальной схемы рабочего органа
Данная система уравнений не линейна и в таком виде не поддается интегрированию. Решение этих уравнений проводилось численным методом с помощью программы Maple 7, что позволило определить дальность полета частиц массива сходящих с рабочего органа.
При этом начальные условия имели вид х(0)=хсх; у(0) = Н1+Усх; х(0) = Va -cos ; у(о) = Va sinA.Q.
Используя полученные уравнения и пути их решения, разработана математическая модель процесса распределения частиц материала рабочими органами центробежного типа. Эта модель была реализована в виде компьютерной программы с использованием типовых средств программирования, в частности, с использованием пакетов математической программы Maple 7 (приложение П.1).
Схема алгоритма реализации математической модели представлена в приложении П.2. Рассмотрим работу данного алгоритма и наиболее значимые отличия математической модели от уже известных.
Исходными данными для ввода в программу являются: конструктивные параметры рабочих органов (количество лопаток, длина и высота лопаток, смещение лопаток относительно радиального положения, толщина и угол конуса диска, расстояние от верхней кромки транспортера до поверхности диска, высота установки рабочих органов над поверхностью земли); кинематические параметры рабочих органов (частота вращения); параметры зоны подачи материала (расположение и форма); физико-механические свойства материала (коэффициент трения по поверхностям лопатки и диска, диапазон коэффициента парусности).
На основании введенных параметров, с помощью встроенных циклов программирования (внутренние циклы по точкам загрузки) программа определяет траекторию движения каждой частицы, попавшей на рабочий орган, а также время ее нахождения на нем. После этого программа определяет место. направление и скорость слета частицы с рабочего органа, а также координаты места попадания частицы на поверхность почвы (приложение П.2).
Во встроенном внешнем цикле программирования (цикл по коэффициенту парусности) задается предел варьирования коэффициента парусности частиц, а также количество значений этого коэффициента, по которым нужно будет провести вычисления. Программа может просчитывать распределение всех частиц для всех значений коэффициента парусности.
Таким образом, создается массив материальных частиц распределяющихся на различное расстояние от начала координат в зависимости от заданных исходных параметров. Используя средства для отображения графических данных, выводится график теоретического распределения материала по ширине рассева.
Для оценки полученных данных и построенных графиков с точки зрения неравномерности распределения используем разработанную программу «Наложение» [53]. Программа по полученным ранее данным рассчитывает теоретическую неравномерность рассева материала на теоретической рабочей ширине распределения, которая оценивается коэффициентом вариации относительного количества материала (частиц), попавших в отдельные точки ширины рассева. При этом была использована существующая методика определения качественных показателей распределения твердых минеральных удобрений [21].
Варьирование параметрами исходных данных позволяет выявить их влияние на характер распределения материала, с целью получения наилучших качественных показателей.
Адекватность представленной математической модели и расчетов, проведенных математической программой по реализации этой модели предстоит проверить в ходе экспериментов. 2.2. Обоснование принципиальной схемы рабочего органа
Проведенные ранее экспериментальные исследования машин для внесения минеральных удобрений с рабочими органами центробежного типа показали, что при внесении карбоната кальция серийные рабочие органы не обеспечивают качественные показатели работы для машин данного типа на указанной в руководстве по эксплуатации рабочей ширине внесения порошковидных материалов Вр = 12 - 14 м.
Для выявления причин некачественного внесения материала, в разработанную математическую модель внесены значения конструктивных и кинематических параметров серийных рабочих органов, физико-механические свойства материала, и проведены предварительные теоретические исследования для различных вариантов зоны подачи материала на рабочие органы.
Анализ предварительных результатов теоретических исследований показал, что частица, которую подхватывает лопатка, двигаясь по ней, либо попадает на диск и сходит с него, либо сходит с лопатки, не касаясь диска (без учета взаимодействия частиц в потоке). Следовательно, на лопатке можно выделить две зоны попадания и траектории движения частиц (рисунок 2.6): - зона А - частица попадает на диск после движения по лопатке и сходит с него; - зона Б - частица не успевает прекратить вертикальное движение и сходит с лопатки не касаясь диска. При этом часть материала при сходе с лопаток будет иметь вектор абсолютной скорости, направленный вниз от горизонтальной плоскости, что уменьшает дальность полета частиц из данной области лопаток и увеличивает количество вносимого материала вблизи рабочих органов. Все это приводит к неравномерному распределению материала по полю.
Методика определения физико-механических свойств карбоната кальция
Данные таблицы показывают, что в диапазоне доз внесения от 0,29 до 0,85 кг/м модернизированные рабочие органы обеспечивают рабочую ширину внесения от 14,5 до 15 м при перекрытии смежных проходов 9... 10,5 м. Соответственно будет обеспечиваться производительность на уровне машин серийного производства (РУМ, МВУ), у которых рабочая ширина внесения для пылевидных и слабопылящих материалов (по паспорту) составляет 12...14м.
Для проверки сходимости теоретических расчетов и экспериментальных данных на рисунке 4,12 представлены теоретическая и экспериментальная эпюры распределения. Как видно из рисунка 4.12 теоретическая и экспериментальная кривые достаточно схожи по характеру распределения, что свидетельствует об адекватности совершенствованной с учетом изменений конструкции рабочего органа математической модели.
Как уже отмечалось в подразделе 4.2, еще в процессе теоретических исследований и многочисленных компьютерных экспериментов, было замечено, что от организации места подачи вносимого материала на рабочие органы 00 (N зависит характер его распределения по ширине захвата. Поэтому второй этап экспериментальных исследований был посвящен определению рациональных параметров зоны подачи карбоната кальция на рабочие органы. Опыты проводились при подачах карбоната кальция на рабочие органы 8,56, 17,34 и 25,56 кг/с (Н=7; 14 и 21 см). Размеры и положение зоны подачи карбоната кальция на рабочие органы меняли, изменяя угол наклона делителя потока путем перестановки его по отверстиям в скатной доске.
Из рисунка 4.13 видно, что во всем диапазоне секундных подач наибольшая рабочая ширина внесения получена при углах установки створок делителя 30...35. Рациональное положение делителя, выявленное в ходе экспериментальных исследований, подтверждает результаты теоретических исследований.
Несмотря на то, что конструкция серийного разбрасывателя не позво 89 лила в полной мере исследовать влияние зоны подачи материала на характер его распределения по поверхности поля, на основании теоретических и экспериментальных исследований можно сделать вывод, что изменение места подачи позволяет повысить равномерность и, как следствие, рабочую ширину захвата в значительно больших пределах, нежели изменение целого ряда других вместе взятых конструктивных и режимных параметров. Такое резкое изменение качественных показателей объясняется тем, что в конечном итоге изменяется сама картина распределения. В организации места подачи заложен важнейший резерв улучшения показателей центробежного разбрасывателя.
На следующем этапе экспериментальных исследований определялось влияние угла установки дополнительных лопаток относительно положения основных лопаток на качество распределения материала по поверхности почвы, Опыты проводились при углах установки дополнительных лопаток от -20 до +5 (с интервалом в 5) во всем интервале выбранных секундных подач материала при установке створок делителя потока на угол 35 как лучший по результатам предыдущего этапа исследований.
Полученные графики распределения были обработаны с помощью разработанной программы «Наложение». Результаты данной обработки представлены на рисунке 4.14.
Анализ графиков показывает - наибольшие значения рабочей ширины внесения получены при углах установки дополнительных лопаток -10...-15, что подтверждает результаты теоретических исследований. При установке дополнительных лопаток под углом свыше 0 частицы материала из зоны Б (рисунок 2.6) не попадают на них и сходят с основных лопаток вниз. Отклонение дополнительных лопаток на угол -20 приводит к позднему подхвату частиц материала и невозможности изменить их траекторию полета. Что также вызывает скопление материала поблизости от разбрасывателя и ухудшает качество его распределения.
Результаты экспериментальных исследований влияния параметров рабочих органов на качество распределения карбоната кальция
Целью экономического обоснования является определение экономической целесообразности применения усовершенствованных рабочих органов центробежного типа в машинах для внесения минеральных удобрений.
Основным ожидаемым результатом внедрения разработки является повышение производительности агрегата на внесении карбоната кальция за счет снижения неравномерности его распределения и, как следствие, увеличения рабочей ширины внесения. В результате выполнения настоящей работы установлено, что применение сконструированных рабочих органов центробежного типа в машинах для внесения минеральных удобрений позволит: снизить неравномерность распределения материала до уровня, установленного агротехническими требованиями; повысить рабочую ширину внесения карбоната кальция. Расчет показателей экономической эффективности проводим согласно ГОСТ 53056-2008 [22], Экономическую оценку проектной разработки проводим сравнением с базовым вариантом (аналогом). В качестве аналога (базовый вариант) для сравнения была принята машина МВУ-5 (РУМ-5) серийно выпускаемая предприятием ООО «БАШСЕЛЬМАШ». Исходные данные для расчета экономической эффективности представим в таблице 5.1
В связи с тем, что в процессе исследований модернизирован серийный рабочий орган центробежного типа, возникла необходимость рассчитать стоимость (цену) модернизации конструкции. Модернизация включает в себя; затраты на приобретение материалов и деталей; затраты по оплате труда с начислениями на изготовление и монтаж конструкции (токарные, сварочные и монтажные работы). Стоимость модернизации одного рабочего органа центробежного типа (капитальные вложения) составила 4853 рубля.
На февраль 2012 г., по данным предприятий-изготовителей стоимость машины МВУ-5 составляет 481000 руб., стоимость трактора МТЗ-80.1 составляет 630000 руб. (таблица 5.1).
Рассчитаем сменную производительность агрегатов по базовому и проектируемого вариантам. Так как разбрасыватель МВУ-5 агрегатируется с тракторами тягового класса 1,4, поэтому в качестве энергетического средства в расчетах принят трактор МТЗ-80.1 для обоих вариантов. Сменная производительность (за час сменного времени) определяется по известной формуле [106] (0CM=0,1-Bp-Vp-т, (5.1) где Вр - рабочая ширина захвата агрегата, м; Vp - рабочая скорость движения агрегата, км/ч; X - коэффициент использования времени смены. Для расчетов принимаем х = 0,5 [29], Vp = 7,2 км/ч (средняя рабочая скорость движения агрегатов при проведении лабораторно-полевых испытаний) принимаем для обоих вариантов. Результаты исследований технологического процесса работы машины для внесения минеральных удобрений при распределении карбоната кальция показали, что наибольшая рабочая ширина захвата при работе с серийными рабочими органами составляет Вр = 11,0 м, а при работе с модернизированными рабочими органами - Вр = 14 м. Окончательно получим: по базовому варианту шсм = 0,1-11,0 7,2 0,5 = 3,96 га/ч по проектируемому варианту ссм = 0,1 -14,0 -7,2 -0,5 = 5,04 га/ч Результаты расчетов заносим в табл. 5.1. В ходе экспериментальных исследований установлено что при работе разбрасывателя с модернизированными рабочими органами затраты энергии на технологический процесс распределения возрастают незначительно. Поэтому часовой расход топлива трактором для обоих вариантов принимаем GT= 12,0 кг/ч [106].
Выполним расчет абсолютных экономических показателей относящихся к специализированной технике на отдельной технологической операции. Прямые эксплуатационные затраты денежных средств вычисляем по формуле И = 3 + Г + Р + А, (5.3) где 3 - затраты средств на оплату труда обслуживающего персонала, руб.; Г - затраты средств на топливо-смазочные материалы, руб.; Р - затраты средств на ремонт и техническое обслуживание, руб.; А - затраты средств на амортизацию, руб. Затраты средств на оплату труда обслуживающего персонала вычислим по формуле 3 = Т,-Л.топ-Кэ, (5.4) где Топ - оплата труда обслуживающего персонала, руб./чел.-ч.; Кэ - коэффициент начислений на зарплату при различных формах налогообложения (единый социальный налог, единый сельскохозяйственный налог). Согласно данным [89] сменная ставка тракториста-машиниста по 7-му разряду работающего на тракторе МТЗ-80.1 составляет 564 руб./смену. Соответственно часовая ставка равна Топ = 80,57 руб./ч. Учитывая премиальные начисления, а также начисления на отпуск, больничные листы и единый социальный налог коэффициент начислений равен Кэ = 2,84. В соответствии с этим затраты на оплату по базовому варианту будут равны Зб =450180,57 2,84 = 103077,0 руб. Для определения затрат на оплату труда для проектируемого варианта определим коэффициент увеличения годовой выработки по формуле уб б ф= м см, (5.5) Тм соспм где Тмб, Тм" - годовая загрузка по базовому и проектируемому вариантам, соответственно, ч; ff CM6 см" - сменная производительность по базовому и проектируемому вариантам, соответственно, га/ч.
