Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследовния 8
1.1 Способы внесения минеральных удобрений и технические средства для их реализации 8
1.2 Основные закономерности работы спирального шнека 16
1.3 Винтовые транспортеры и их функциональные возможности 20
1.4 Анализ исследований шнековых рабочих органов 22
1.5 Анализ технических средств для контроля и управления процессом внесения минеральных удобрений 27
1.6 Выводы и задачи исследований 34
2 Анализ процессов транспортирования и дозирования минеральных удобрений спиральным шнеком 36
2.1 Общие положения и допущения 36
2.2 Транспортирование минеральных удобрений спиральным шнеком 37
2.2.1 Подача материала в кожух шнека 37
2.2.2 Транспортирование минеральных удобрений спиральным шнеком 42
2.3 Истечение минеральных удобрений из отверстий 50
2.4 Распределение минеральных удобрений по поверхности поля 58
2.5 Управление процессом высева минеральных удобрений 67
2.6 Выводы 72
3 Программа и методика экспериментальных исследований ... 74
3.1 Общая методика и задачи экспериментальных исследований 74
3.2 Методика исследования факторов, влияющих на равномерность дозирования 80
3.3 Методика оценки распределения материала по поверхности поля 83
3.4 Методика обработки экспериментальных данных и оценка погрешностей измерений 87
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 90
4.1 Физико-механические свойства минеральных удобрений и их влияние на процесс дозирования 90
4.2 Влияние высоты слоя материала, формы и площади высевного отверстия на его производительность , 95
4.3 Влияния конструктивных и кинематических параметров на процесс дозирования минеральных удобрений 98
4.4 Распределение минеральных удобрений по поверхности поля...107
4.5 Анализ результатов экспериментальных исследований по обоснованию параметров управляющих устройств 117
4.6 Выводы 121
5 Производственная проверка и экономическое обоснование спирально-шнекового аппарата 122
5.1 Методика расчета спирально-шнекового высевающего аппарата 122
5.2 Производственная проверка спирально-шнекового аппарата...123
5.3 Экономическое обоснование технических решений 126
Общие выводы 129
Литература 131
Приложения 144
- Способы внесения минеральных удобрений и технические средства для их реализации
- Транспортирование минеральных удобрений спиральным шнеком
- Методика исследования факторов, влияющих на равномерность дозирования
- Физико-механические свойства минеральных удобрений и их влияние на процесс дозирования
Введение к работе
Актуальность темы. Основной задачей сельскохозяйственного производства является обеспечение населения продуктами питания растительного и животного происхождения.
При возделывании растений из почвы выносятся питательные элементы. С ростом урожайности сельскохозяйственных культур дефицит питательных элементов в почве накапливается. Восстановление запасов питательных элементов достигается внесением в почву органических и минеральных удобрений. Роль минеральных удобрений в обеспечении почв питательными элементами весьма велика.
К машинам для внесения минеральных удобрений предъявляются высокие требования по равномерности распределения частиц по поверхности поля и производительности. В мировой практике широкое распространение получили штанговые распределители с шнековыми рабочими органами.
Многочисленными исследованиями доказано, что качество распределения минеральных удобрений шнековыми распределителями зависит от способа движения материала в кожухе шнека, места положения дозирующих отверстий, точности настройки дозирующих систем.
Следовательно, разработка спирально-шнековых аппаратов, обеспечивающих равномерное распределение материала по поверхности поля, является важной научной задачей.
Цель исследования - обоснование параметров и режимов работы спи-рально-шнекового аппарата, обеспечивающего качественное распределение минеральных удобрений по площади поля.
Объект исследования - технологический процесс дозирования и распределения минеральных удобрений спирально-шнековым высевающим аппаратом.
Предмет исследования - взаимосвязи между параметрами спирально-шнекового аппарата и качеством распределения минеральных удобрений по площади поля.
Научная новизна работы состоит:
в установлении зависимостей, описывающих влияние высоты слоя материала на производительность дозирующих отверстий;
в установлении аналитических зависимостей для обоснования параметров высевных отверстий;
в получении аналитических зависимостей для описания закономерностей распределения частиц по поверхности рассева;
Практическая значимость заключается:
- в обосновании параметров дозирующих отверстий, обеспечивающих
качественное распределение удобрений по поверхности поля;
- в обосновании способа регулирования равномерности дозирования;
я гпиг.яттт,нп-тн<*корргп аппарата для
- в методике инженерного расче-
поверхностного внесения минеральных уЯвбрВИНйИОИЛЛЬнля 1
С О»
=23
На защиту выносятся:
зависимости для оценки производительности дозирующих отверстий;
теоретическое и экспериментальное обоснование параметров высевных отверстий;
теоретическое и экспериментальное обоснование режимов работы спирально-шнекового туковысевающего аппарата;
методика инженерного расчёта спирально-шнекового высевающего аппарата.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА (Зерноград, 1998-2005 г.г.), ЮРГТУ (Новочеркасск, 2004г.), ЧГАУ (Челябинск, 2004г.), ТГУ (Тула, 2005).
Публикация результатов исследований. Результаты проведенных исследований отражены в 11 печатных работах, в числе которых 5 патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Она изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц и 68 иллюстраций. Список литературы включает 144 наименования, в том числе 12 на иностранном языке.
Способы внесения минеральных удобрений и технические средства для их реализации
Эффективность применения твёрдых минеральных удобрений в значительной степени зависит от правильности сочетания приёмов их внесения в почву. В настоящее время существует два способа внесения удобрений: сплошной поверхностный рассев и внутрипочвенное внесение/52/.
Сплошной поверхностный рассев имеет ряд недостатков. После обработки почвы боронами и культиваторами удобрения располагаются в верхнем слое почвы и при недостаточной влагообеспеченности не усваиваются растениями. При использовании плугов туки заделываются на значительную глубину и до развития мощной корневой системы они недоступны растениям. При некорневых подкормках, например зерновых колосовых культур, удобрения, внесённые сплошным рассевом, в почву не заделываются, а усваиваются растениями после выпадения осадков.
Несмотря на эти недостатки, сплошной поверхностный рассев удобрений остаётся главным, что обусловлено относительно высокой производительностью и простотой конструкций машин для внесения удобрений.
Внутрипочвенный способ обусловлен относительно низкой производительностью машин, а также необходимостью чёткой организации труда при проведении работ, что сдерживает широкое распространение данного способа внесения удобрений.
Агротехническими нормами предусмотрены определённые дозы внесения удобрений в оптимальные сроки, пределы отклонения их от установленных, а также допустимая неравномерность распределения удобрений по ширине и длине прохода агрегата.
Значительное влияние на качество распределения твердых минеральных удобрений по поверхности поля оказывают рабочие органы машин. Наиболее распространенные типы распределительных рабочих органов приведены на рисунке. 1.1.
По данным В.Я. Изотова /61/ распределение туков по поверхности поля тарельчатыми и шнековыми аппаратами примерно одинаково: неравномерность распределения туков по ширине захвата машины для тарельчатого аппарата составила 19,3...31,8%, а для шнекового - 22,2...36,5% , при этом все полученные значения превышают агротехническую допустимую неравномерность,
В настоящее время основная масса удобрений вносится поверхностным способом с помощью кузовных разбрасывателей РМГ-4, РУМ-5, РУМ-8 и др., оборудованными центробежно-дисковыми аппаратами.
Распространению данного типа аппаратов способствует простота конструкции большая производительность, высокая надежность технологического процесса и малая удельная металлоемкость. Однако центробежно-дисковые аппараты распределяют удобрения с неравномерностью более 80%, что в несколько раз превышает допустимую величину для аппаратов такого типа /65/. Существующие рабочие органы на машинах типа РУМ-5 не обеспечивают равномерного внесения малых доз удобрений по поверхности поля при возделывании зерновых по интенсивным технологиям /94/. Можно частично снизить неравномерность внесения удобрений путем оборудования разбрасывателей средствами точного вождения, обеспечивающими заданное перекрытие смежных переходов. Однако при этом значительно снижается рабочая ширина. Так, при внесении гранулированных удобрений рабочая ширина составит 6...7 м, а при внесении порошковых -4...6 м. /49/. Попытка получить равномерность твердых минеральных удобрений путём совершенствования центробежно-дисковых рабочих органов, замены их другими центробежными органами или рабочими органами других типов (пневматическими, пневмомеханическими) оказались малоэффективными. Поэтому рабочие органы данного типа не получили широкого распространения.
Высокую равномерность внесения минеральных удобрений обеспечивают ящичные сеялки с тарельчатыми, цепными, катушечными и другими высевающими аппаратами, которые применялись и применяются в нашей стране и за рубежом III. Тем не менее, данные сеялки обладают существенными недостатками. Так, у них туковый ящик равен ширине захвата, что отрицательно сказывается на механизации загрузки удобрений и приводит к длительным простоям агрегата при выполнении этой операции /32/.
Ящичные сеялки, составленные в агрегаты, имеют большую удельную материалоёмкость, не применяются при внесении удобрений по прямоточной технологии, при транспортировке громоздки, а для перевода их в транспортное положение затрачивается значительный ручной труд. По этим причинам ящичные сеялки не нашли широкого распространения в нашей стране /32/.
Во второй половине 60-х годов за рубежом появилось новое поколение туковых сеялок, так называемых штанговых сеялок (рисунок. 1.2) /103, 32/. Эти машины характеризуются высоким техническим уровнем, в частности - возможностью совмещать достоинства кузовных разбрасывателей (малую удельную материалоёмкость, высокую производительность) и ящичных сеялок, (высокую равномерность внесения удобрений). Отличительной особенностью штанговой сеялки является наличие компактного центрального бункера и распределительно-высевающей системы в виде фронтально расположенных штанг, обеспечивающих распределение удобрений из бункера по рабочей ширине захвата и их высев. Существующее большое разнообразие штанговых сеялок, отсутствие систематизации этих машин, а также недостаток рекомендаций по расчёту, проектированию и эксплуатации сменных рабочих органов штангового типа затрудняют выбор необходимой технологической схемы внесения удобрений /103/.
Транспортирование минеральных удобрений спиральным шнеком
В результате анализа технологических процессов штанговых рабочих органов нами установлено, что наиболее приспособленными к высеву минеральных удобрений являются штанговые сеялки, оборудованные спиральными шнеками. По энергетическим показателям и материалоемкости предпочтительнее штанговые аппараты, работающие по тупиковой схеме.
Рассмотрим процессы транспортирования и дозирования минеральных удобрений штанговым рабочим органом, в котором перемещение материала от заборной части к высевным отверстиям осуществляется с помощью спирального шнека.
Технологический процесс штанговых распределителей, работающих по тупиковой схеме, заключается в том, что материал, находящийся в кожухе шнека должен быть распределен по ширине захвата штанги равномерно и полностью. Избыток материала приводит к переполнению периферийной части кожуха удобрениями, что может привести к поломкам. Недостаток удобрений приводит к нарушению равномерности распределения частиц по полю, так как на периферии штанги удобрения будут отсутствовать.
По способу организации подачи материала возможны два варианта: - подача материала из бункера через дозирующую систему в кожух спирального шнека; — забор материала спиральным шнеком из бункера или кузова машины.
Нами рассматриваются процессы транспортирования и дозирования материала спирально-шнековым аппаратом, для случая забора минеральных удобрений из бункера спиральным шнеком.
Исследования выполнены при следующих допущениях: І.Весь материал, поступивший в кожух шнека, распределяется по длине штанги. Переполнение штанги удобрениями не происходит.
Это достигается тем, что высевное отверстие на периферии штанги выполняется с большой производительностью. 2. Транспортируемый материал состоит из частиц, размеры которых значительно меньше диаметра кожуха, шага спирали, что позволяет рассматривать минеральные удобрения как сплошную сыпучую среду. 3. Частицы материала подчиняются законам сухого трения. Силы сцепления между частицами не учитываются. 4. Зазор между кожухом и спиралью мал по сравнению с параметрами шнека, и им можно пренебречь. 5. За время транспортирования и дозирования физико-механические свойства минеральных удобрений не изменяются.
При заборе минеральных удобрений спиральным шнеком из бункера объём транспортируемого материала зависит от условий заполнения межвит-кового пространства. Объём материала, поступившего в кожух шнека, определится выражением Як=Ак-Ут кУ (2Л) где Лк— площадь поперечного сечения свободного пространства кожуха; Vm — осевая скорость движения материала; Ч к — коэффициент заполнения кожуха.
Площадь поперечного сечения свободного пространства кожуха определится из выражения 7T-D2 где DeH- внутренний диаметр спирального шнека, равный DK-2d„; dnp - диаметр проволоки спирали. Осевая скорость движения материала зависит от коэффициента заполнения FK кожуха. По данным /92/ при % 0, J материал совершает в основном осевое движение. Тогда можно принять, что за один оборот спирали материал переместится на шаг S навивки. Скорость осевого движения будет равна т 60 2л- V Подставив в (2.3) значения входящих величие из (2.1) и (2.2), получим а-5 Д8Р"-У,- (2.4)
На коэффициент заполнения к влияют условия подачи материала в кожух. При заборе материала из бункера заполнение межвиткового пространства осуществляется за счет сил тяжести (гравитационный питатель).
Над спиралью шнека находится слой минеральных удобрений (рисунок 2.1). Высота слоя в процессе работы изменяется от максимальной, равной глубине бункера, до минимальной, равной нулю. Определим максимально допустимую угловую скорость спирали, при которой обеспечиваются условия заполнения межвиткового пространства.
На глубине h от свободной поверхности выделим слой материла шириной 5" и высотой Ah (рисунок 2.1 а). Рассмотрим равновесие этого элементарно малого объёма (рисунок 2Л б).
Методика исследования факторов, влияющих на равномерность дозирования
Снижение чувствительности процесса высева к изменению физико-механических свойств минеральных удобрений и режимов работы спирально-шнекового аппарата может быть достигнуто путем выбора оптимального сочетания кинематических и конструктивных параметров распределительного рабочего органа.
Теоретическими исследованиями /52, 44, 45/ установлено, что на равномерность высева удобрений шнековыми и спирально- шнековыми рабочими органами оказывают влияние: h - высота слоя высеваемого материала над высевным отверстием; расположение высевных отверстий на кожухе шнека; . пс - частота вращения спирали; S/D — отношение шага спирали к ее диаметру; /с и/к- коэффициент трения материала о спираль и кожух; у/- коэффициент заполнения кожуха транспортируемым материалом; рв - угол смещения высевных отверстий от нижней образующей кожуха.
Для исследования влияния угловой скорости спирали на равномерность дозирования удобрений частоту вращения спирали изменяли от 30 до 300 мин " через равные интервалы (50 мин " ). Остальные параметры аппарата принимались фиксированными. Повторность опытов принималась трехкратной /85/. Исследование влияния частоты вращения на равномерность дозирования выполнялось для двух вариантов размещения дозирующих отверстий; для аппарата с высевными отверстиями, расположенными под углом к образующей кожуха шнека. В этом варианте регистрировался угол р3 смещения высевных отверстий от нижней образующей кожуха. для аппарата с высевными отверстиями, расположенными в нижней части кожуха шнека в линию. В этом варианте регистрировалась площадь проходного сечения высевных отверстий. Аналогично проводились эксперименты по определению производительности и равномерности дозирования минеральных удобрений при различных частотах вращения спирали. При этом угол смещения высевных отверстий от нижней образующей кожуха фиксировался ( рй=85 и не менялся в течение всего опыта у аппарата с высевными отверстиями, расположенными под углом к образующей кожуха, что соответствовало углу смещения, обеспечивающего максимальную равномерность дозирования при средних частотах (180 мин " ) вращения спирали шнека.
Для установления закона изменения угла рв смещения высевных отверстий в зависимости от частоты вращения спирали, вида удобрений и нормы высева в первом варианте аппарата методика проведения эксперимента заключалась в следующем.
При установленных значениях изучаемого фактора устанавливались углы смещения первого и последнего высевных отверстий такими, чтобы неравномерность дозирования была минимальной.
Установление закона изменения угла смещения высевных отверстий позволяет выработать рекомендации по его оптимальному значению в зависимости от частоты вращения спирали. Так как угловая скорость спирали шнека связана со скоростью машины, то эта зависимость может быть использована при настройке машины. Угловая скорость спирали шнека связана со скоростью машины Умаш выражением где Rk - радиус приводного колеса; є - коэффициент скольжения; / - передаточное отношение редуктора.
Получив зависимости Hmin—J[ri, д „), можно, для рекомендуемого диапазона рабочих скоростей машины, подобрать набор передаточных отношений і редуктора в механизме привода.
Для аппарата с высевными отверстиями, расположенными в нижней части кожуха шнека в линию при изменении частоты вращения спирали производительность определялась для высевных отверстий различной формы и поперечного сечения.
Вид удобрений оказывает влияние на кинематику сыпучего тела, подачу, производительность высевных отверстий и ряд других показателей.
В качестве исследуемого материала использовались следующие виды удобрений: аммиачная селитра, нитроаммофос, карбомид, калийная соль, суперфосфат гранулированный и другие.
В данной работе не ставилась задача широкого изучения физико-механических свойств твердых минеральных удобрений. Изучались лишь некоторые свойства: гранулометрический состав, насыпная плотность, углы естественного откоса и обрушения, диаметр сводообразующего отверстия, гигроскопичность, слеживаемость, коэффициент внешнего трения по стали, необходимые для проведения опытов, предусматриваемых программой.
Основная часть экспериментальных исследований проводилась на карбомиде, калийной соли, суперфосфате и нитрофоске. При этом параметры спирального шнека и его частота вращения принимались на основании предварительных исследований
Физико-механические свойства минеральных удобрений и их влияние на процесс дозирования
Качественное распределение требуемых доз питательных элементов по площади поля в значительной степени определяется равномерностью распределения частиц по ширине захвате машины и установкой требуемой подачи материала в кожух шнека.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет заключить, что равномерное распределение удобрений по ширине полосы рассева достигается выбором рациональных параметров распределительного устройства при соответствующей угловой скорости спирали. К этим параметрам относятся: угловая скорость спирали; расстояние между высевными отверстиями; угол наклона высевных отверстия в подающей части кожуха; угол наклона линии, проходящей через высевные отверстия к образующей кожуха.
В нашей работе выполнено обоснование параметров высевных отверстий с площадью проходного сечения, превышающей максимально необходимую площадь. Доза высеянных удобрений зависит от угла наклона нижней кромки дозирующих отверстий. Равномерность дозирования минеральных удобрений определяется углом наклона высевных отверстий к образующей кожуха шнека.
При заборе материала спиралью шнека из бункера машины норма высева удобрений зависит от частоты вращения спирали, а равномерное распределение обеспечивается правильным расположением нижних кромок дозирующих отверстий.
Следовательно, для обеспечения равномерного распределения материала по высевным отверстиям необходимо изменять положение нижних кромок дозирующих отверстий в подающей и периферийной частях кожуха.
В предлагаемом аппарате высевные отверстия расположены по винтовой линии под углом к образующей кожуха шнека. Угол подъема винтовой линии принят таким образом, чтобы неравномерность дозирования была минимальной в среднем диапазоне угловых скоростей спирали.
При неизменном положении дозирующих отверстий (работа аппарата без управления) неравномерность дозирования на границах изучаемого интервала частот вращения спирали превышает требования агротехники (рисунок 4.23).
Для исследуемых видов минеральных удобрений эти зависимости близки и могут быть аппроксимированы уравнением линии второго порядка q =a + b-n-c-n2. (4.6) Значения коэффициентов а, Ъ, с, входящих в выражение (4.6) для исследуемых видов минеральных удобрений приведено в таблице 4.4. Таблица
Если принять коэффициенты а, Ъ и с близким к их средним значениям, то закон изменения угла поворота кожуха будет иметь вид: 7 = 89,4 + 0,03 -п -0,00035 -л2. (4.7)
В диапазоне частот вращения от 50 до 250 1/мин угол р наклона нижней кромки дозирующего отверстия изменяется от 9и до 75 , Интервал углов поворота составил Л(р=15 .
Устройство управления процессом дозирования минеральных удобрений спирально — шнековым распределителем может быть реализовано на основе предложенного нами алгоритмы (рисунок 2.24).
Реализация разработанного алгоритма может быть выполнена в два этапа. На первом этапе управление процессом дозирования выполняется устройством с ручным приводом (ступенчатое регулирование) на втором этапе целесообразно применение микропроцессорных систем /37/.
Для решения задач управления на первом этапе машина должна быть оснащена устройством поворота подающей части кожуха шнека (рисунок 3.3).
Для ступенчатого регулирования качества дозирования угол А р поворота был разделен на равные части с шагом 5. Коэффициенты вариации высеянных доз при ступенчатом управлении приведены на рисунке 4.23.
На втором этапе разработки систем управления процессом дозирования можно использовать устройство управления процессом высева минеральных удобрений шнековым высевающим аппаратом, разработанном нами в АЧГАА /74/, блок-схема которого приведена на рисунке 2.22.
Разработанное устройство является составной частью системы автоматизированного управления технологическим процессом внесения минеральных удобрений штанговыми рабочими органами и предназначено для управления процессом дозирования.
1. При расположении высевных отверстий в нижней части кожуха шнека равномерное распределение доз по длине штанги не обеспечивается, так как производительность отверстий зависит от высоты слоя материала над ним. С ростом высоты слоя материала над отверстием интенсивность увели чения его производительности убывает. Наименьшее изменение производи тельности имеют отверстия в форме круга.
2. Повышение равномерности дозирования на 25...40% можно обеспечить при расположении высевных отверстий в нижней части кожуха под углом к его образующей. При этом площадь проходного сечения отверстий должна возрастать от подающей части к периферии кожуха.
3. При расположении нижних кромок высевных отверстий под свободной поверхностью материала, перемещаемого в кожухе, равномерность дозирования зависит от угла смещения отверстий от образующей. При оптимальном положении высевных отверстий равномерность дозирования повышается в 5 и более раз.
4. Распределение частиц по радиусам зоны рассева может быть описано уравнением 2 порядка. Соответствие теоретического распределения опытному подтверждается с вероятностью не ниже 95%.
5. Для обеспечения качественного распределения частиц вдоль оси движения машины минимальное значение угловой скорости спирали зависит от размеров высевных отверстий, высоты расположения штанги и скорости движения машины.
6. Управление качеством дозирования удобрений может быть осуществлено за счет изменения угла наклона линии, проходящей через нижние обрезы отверстий к образующей кожуха.
