Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 10
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 18
1.1. Современные транспортно-технологические системы обеспечения комбикормовых предприятий и цехов зерновыми компонентами и продуктами их помола 18
1.2. Анализ структуры транспортно-технологи ческой системы доставки сырья на комбикормовое производство
1.2.1. Сырьевая база комбикормового производства 22
1.2.2. Комплексная механизация и автоматизация погрузочно-разгруз очных работ на складах сырья комбикормовых предприятий
1.3. Анализ процесса функционирования емкостей в транспортно-технологических системах комбикормовых предприятий 31
1.4. Технологические характеристики зерновых компонентов и продуктов их помола 36
1.5. Анализ емкостей для хранения и транспортирования зерновых материалов и продуктов их помола 45
1.5.1. Виды емкостей бункерно-силосного типа и параметры их функционирования 50
1.5.2. Бункера транспортных средств (кузова железнодорожного подвижного состава) 53
1.5.3. Анализ конструкций вспомогательных устройств для емкостей бункерно-силосного типа 1.6. Обзор научных исследований сыпучести материалов 67
1.7. Обзор научных исследований загрузочных устройств 69
1.7.1. Анализ движения частиц сыпучего материала по
шероховатым поверхностям 70
1.7.2. Анализ движения сыпучего материала по перфорированной поверхности 70
1.7.3. Анализ движения частиц сыпучего материала под воздействием силы тяжести 71
1.8. Обзор научных исследований по хранению и выпуску сыпучих материалов 75
Выводы по первой главе и задачи исследований 83
2. МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ 86
2.1. Параметрическая модель процесса функционирования и оптимизации параметров емкостей для компонентов комбикорма 86
2.1.1. Процесс загрузки емкостей 86
2.1.2. Процесс хранения сыпучего материала в емкости 88
2.1.3. Процесс выгрузки сыпучего материала из емкости
2.2. Математическая модель процесса функционирования емкости для сыпучих грузов 92
2.3. Методика комплексной оценки функционирования элементов транспортно-технологической системы
2.3.1. Оценка качественных и количественных характеристик емкости бункерного типа 99
2.3.2. Оценка комплексного показателя сыпучести компонентов комбикорма 101
2.3.3. Результаты расчетов комплексной оценки функциональных возможностей емкостей для компонентов комбикорма 103
Выводы по второй главе 107
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАПОЛНЕНИЯ ЕМКОСТЕЙ СЫПУЧИМ МАТЕРИАЛОМ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ 108
3.1. Анализ основных способов загрузки и обоснование параметров загрузочных устройств 108
3.2. Загрузка рассредоточенным потоком с использованием энергии падающего материала 109
3.2Л. Обоснование основных параметров конусного распределителя 111
3.2.2. Обоснование размеров отверстий на поверхности перфорированного конусного распределителя 114
3.2.3. Распределитель в виде конуса с вырезами и лопастями 116
3.2.4. Распределитель в виде набора конусов 116
3.2.5. Обоснование формы распределителя в виде поверхности вращения
3.3. Загрузка рассредоточенным потоком с использованием приводного загрузочно-распределителыюго устройства 120
3.4. Аналитическое определение параметров приводного загрузочно-распределителыюго устройства 124
ЗАЛ. Определение высоты лопастей 124
3.4.2. Учет сопротивления среды при движении материала в поле силы тяжести 127
3.4.3. Обоснование конструктивно-режимных параметров приводного распределителя 1
3.5. Обоснование параметров устройства для каскадной загрузки 134
3.6. Лабораторные испытания предложенных загрузочных устройств 1
3.6.1. Описания лабораторных установок и порядок проведения опытов 137
3.6.2. Методика экспериментальных исследований загрузочных устройств 140
3.6.3. Результаты лабораторных испытаний конусного распределителя и их оценка 143
3.6.4. Результаты лабораторных испытаний каскадного распределителя 146
Выводы по третьей главе 147
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХРАНЕНИЯ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВЫГРУЗКИ ИХ ИЗ БУНКЕРОВ ПОСЛЕ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ 148
4.1. Особенности технологии хранения зерновых материалов и продуктов их помола в бункерах для транспортирования сыпучих материалов 148
4.2. Научная гипотеза о расширении функциональных возможностей бункеров для транспортирования сыпучих материалов.. 160
4.3. Конструкция бункера для транспортирования сыпучих материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками 162
4.3Л. Описание конструкции предлагаемого бункера 162
4.3.2. Методика экспериментальных исследований 166
4.3.3. Описание экспериментальной установки 167
4.3.4. Методика и результаты экспериментальных исследований 168
Выводы по четвертой главе 170
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫГРУЗКИ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРОДУКТОВ ИХ ПОМОЛА ИЗ СТАЦИОНАРНЫХ ЕМКОСТЕЙ 172
5.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы бункера со щелевым отверстием по периметру дна и кольцевым затвором 172
5.1.1. Параметрическая модель функционирования предлагаемого бункерного устройства 174
5.1.2. Качественный анализ функционирования разрыхляющего устройства в бункере с кольцевым затвором 175
5.1.3. Оптимизация угла установки рабочего органа рыхлителя 176
5.1.4. Тяговый и энергетический расчет разрыхляющего устройства 177
5.2. Обоснование конструктивно-технологической схемы
бункера с подвижной выпускной воронкой 182
5.2.1. Параметрическая модель функционирования бункерного устройства 183
5.2.2. Анализ работы устройства 184
5.3. Экспериментальные исследования процесса выпуска 191
5.3.1. Программа исследований 191
5.3.2. Описание экспериментальных установок 192
5.3.3. Методика проведения опытов 196
5.3.4. Результаты и анализ экспериментальных исследований... 198
Выводы по пятой главе 209
6. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 211
6.1. Определение основных технико-экономических показателей использования предлагаемого оборудования для отпуска готовой продукции в подвижной состав 211
6.2. Хозяйственные испытания бункера с подвижной воронкой 215
6.3. Реализация конструктивно-технологических решений полученных в результате исследований 217
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 220
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 224
ПРИЛОЖЕНИЯ 2
Введение к работе
Актуальность проблемы. Согласно плану Стратегии машинно-технологического обеспечения производства с/х. продукции России на период до 2010 года. [277], «в области технического обеспечения животноводства перспективными направлениями научных исследований являются: разработка новых энергосберегающих, экологически чистых технологий и средств механизации, обеспечивающих повышение эффективности производства, снижение издержек, ... энергии и других ресурсов, обеспечение конкурентоспособности отечественной продукции, ... разработка рациональных методов технического обслуживания и ремонта машин и оборудования ...»
Для получения полноценной животноводческой продукции требуется приготавливать полноценные комбикорма, несущие в себе весь спектр необходимых для животных питательных веществ.
Обеспечение сырьем комбикормовых предприятий для приготовления полноценных комбикормов сопряжено, как правило, с использованием стационарных и мобильных бункеров. Последние, зачастую не соответствуют нормам эффективного функционирования в связи с разнообразием физико-механических и химико-биологических свойств используемого комбикормового сырья, что приводит к не желаемому разнообразию способов поставок и, соответственно, к большему количеству разнотипных машин. Так, известны способы бестарного и тарированного транспортирования и хранения комбикормового сырья. Технологичность этих способов влечет за собой широкий спектр разновидностей процессов. Операции, способствующие функционированию приведенных процессов, осуществляют механизмы циклического и непрерывного действия. Механизмы циклического действия подразумевают работу с тарированными материалами и применение ручного труда. Хранение тарированного сырья осуществляется напольно или стеллажным способом, что не исключает доступа грызунов и птиц. В программе «Стратегии ...» [277] в связи с этим указано, что «в совокупности система машин начала XXI века должна позволить снизить издержки потребителей техники на поддержание работоспособности машин не менее чем на 50%». Носителями этих стратегических параметров являются: повышенная техническая надежность как машины в целом, так и ее составляющих компонентов; оптимальная комфортность и безопасность техники; экологичность машин и агрегатов [277]. Таким параметрам могут соответствовать, в настоящее время, машины непрерывного действия, непременной составляющей которых являются стационарные и мобильные бункера. Разновидность конструкций используемых бункеров не исключает схожести негативных сторон их функционирования. Так, в одинаковые по конфигурации бункера помещают сыпучие материалы с разными уровнями сыпучести. Это ведет к неполному использованию полезного объема емкостей и кузовов, уменьшается осевая нагрузка (в подвижном составе), затрудняется процесс выгрузки и в .результате, все это ведет к значительному возрастанию времени на маневровые и погрузочно-разгруз очные работы на транспорте и в технологических линиях, и главное, ухудшению свойств комбикормов.
Настоящая работа направлена на повышение эффективности использования бункерно-силосных систем, применяемых в приготовлении комбикормов за счет сочетания функциональных элементов емкости способствующих эффективному ее использованию. Это позволит также добиться получению качественных комбикормов и, соответственно, повысить продуктивность животноводческих и птицеводческих комплексов.
Цель работы. Совершенствование технических систем обеспечения сырьем комбикормовых предприятий и цехов животноводческих комплексов и птицефабрик для повышения конкурентоспособности животноводческой и птицеводческой продукции.
Объект исследования - процессы функционирования стационарных и передвижных бункеров, устройств для их загрузки и разгрузки в технических системах обеспечения сырьем комбикормовых предприятий и цехов животноводческих комплексов и птицефабрик.
Предмет исследования взаимосвязи конструктивных параметров стационарных и передвижных бункеров для компонентов комбикорма, зерновых материалов и продуктов их помола; закономерности качественного и эффективного их функционирования.
Методические основы исследований: параметрическое и математическое моделирование технических систем; теория процесса загрузки, хранения и выгрузки; системный и логистический подходы; методы математической статистики, моделирования и натурного эксперимента.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами государственных приемочных и производственных испытаний разработанных технических средств и их эффективным использованием на предприятиях агропромышленного комплекса.
Научную новизну исследований составляют:
- параметрическая и математическая модели функционирования технической системы обеспечения сырьем комбикормовых предприятий и цехов животноводческих комплексов и птицефабрик, отличающиеся системным подходом и учетом количественных и качественных параметров и показателей работы ее элементов, обеспечивающие принятие оптимальных технических решений при их проектировании и эксплуатации;
- новая методология выявления основных факторов, характеризующих функциональные возможности предлагаемых элементов технической системы для зерновых материалов и продуктов их перемола;
- аналитические выражения, позволяющие оптимизировать параметры и энергоемкость при проектировании семейства новых технических решений для распределения сыпучих материалов в емкостях бункерно-силосного типа и (предложенные технические устройства защищены патентами на изобретение);
- новый подход к описанию процесса хранения и выпуска зерновых материалов и продуктов их помола с целью обеспечения сохранности их свойств и работоспособности элементов технической системы;
- методология применения селективного воздействия на хранимый в емкости зерновой материал с целью обеспечения постоянства его транспортных свойств и целостности элементов технической системы.
Научное значение работы заключается в системном подходе к развитию теории и методов управления эффективным функционированием элементов технической системы обеспечения сырьем комбикормовых предприятий и цехов животноводческих комплексов и птицефабрик.
Практическая значимость работы составляют:
- методика определения основных параметров семейства конструкций загрузочно-распределительных устройств для зерновых материалов и продуктов их помола;
- методика определения параметров мобильных бункеров новой конструкции для зерновых материалов и продуктов их помола;
- методика определения основных параметров бункерного устройства с селективным побуждением сыпучего материала;
- опытные партии распределительных устройств, бункеров и бункерных устройств для зерновых материалов и продуктов их помола;
- монография для проектных и производственных предприятий;
- учебные пособия для студентов вузов (четыре наименования). Реализация результатов исследований
Разработано семейство загрузочно-распределительных устройств для заполнения зерновыми материалами и продуктами их помола стационарных и передвижных бункеров (патенты №,2220085, 2225821, 2219118, патент на полезную модель №23433). Разработаны конструкции импульсных побудителей для выпуска зерновых грузов и продуктов их помола из емкостей бункерно-силосного типа (патенты №,2230014, патент на полезную модель №15987 положительное решение №2003137298/12).
Предложена конструкция кузова вагона бункерного типа для транспортирования средне и трудно сыпучих материалов (патент на полезную модель №31548).
Результаты исследований, техническая документация на упомянутые конструкции, принципиальные схемы модернизации существующих элементов технической системы для зерновых материалов и продуктов их помола использованы проектными организациями, машиностроительными заводами и комбикормовыми предприятиями:
- ФГНУ НПИ Гипросельхоз - при проектировании и разработке конструктивных схем бункерно-силосных устройств;
- ФГУП «Желдорпроект» Поволжья - при проектировании бункерно-силосных хранилищ (для пивной дробины) транспортно-складского комплекса филиала ОАО пивоваренной компании Балтика;
- проектным институтом ОАО «ВолгоЭнергопромстройпроект» - при оценке функционирования бункеров, силосов и кузовов транспортных средств и в процессе эксплуатации хранилищ.
Выпущены опытные партии машин и оборудования: бункер для разгрузки сыпучих материалов по свидетельству на полезную модель № 15987 - 2 шт.; бункерного устройства по патенту № 2115612 - 2 шт., бункерное устройство по патенту № 2146219 - 3 шт., бункерного устройства по патенту № 2148315 - 2 шт. Упомянутые машины и оборудование используются на комбикормовом заводе суперкомбикормов и комбикормов (г. Тольятти) и Алексеевской комбикормовом заводе (Самарская обл.), учебными хозяйствами Самарской и Ижевской государственных сельхозяйственных академий. Методические разработки, полученные в результате исследований, технические решения бункерно-силосных систем и методика оценки их функционирования отражены в четырех учебных пособиях и внедрены в учебный процесс среднетехническими и высшими учебными заведениями сельскохозяйственного и транспортного профиля.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов факультета механизации сельского хозяйства Самарской ГСХА (г. Кинель) в 1999, 2000, 2001 и 2003 гг.; на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы (СГАУ им. Н.И. Вавилова, г. Саратов) в 1999, 2000, 2001 и 2002 гг.; на Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2000 г.); на научно-технической конференции «Технологии, технические средства для животноводства в XXI веке и проблемы качества продукции» (ВНИИМЖ, г. Москва, 2000 г.); на 2-й Международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (РГУПС, г. Ростов-на-Дону, 2000 г.); на 4-й межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (РГОТУПС, г. Москва, 1999 г.); на 3-й международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем» (МАНЭБ, г. Самара, 2002 г.); на 4-й научно практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (МИИТ, г. Москва, 2001 г.); на 2-й научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» (Северо-западный НИИМЭСХ, г. С.-Петербург-Пушкин, 2000 г.); на международных научно-технических конференциях «Промышленный транспорт на пороге XXI» (АС «Промтранс», г. Москва) в 1999, 2000, 2001, 2002 и 2003 гг.; на международной конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных объектов» (г. С.-Петербург, 2002 г.); на XIII международной специализированной выставке «АГРО-2003» (г. Уфа, 2003 г.); на Международном экологическом форуме «День Балтийского моря» (г. С.-Петербург, 2003 г.); на межвузовской научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (г. Самара, СамГАПС, 2003 г.); на международной научно-практической конференции «Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала» (г. Москва МИИТ, 2003 г.); на региональной научно-технической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте» (г. Челябинск, Южно-Уральская железная дорога, 2004 г.).; П-я Международная научно-практическая конференция «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы» (г. Пенза, Межотраслевой научно-исследовательский центр, 2004 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 68 работ, в том числе 4 ученых пособия, 58 статей в ведущих научных журналах и сборниках, две монографии и 7 патентов.
Научные положения, выносимые на защиту:
- методика проектирования элементов технических систем (на примере стационарных и передвижных бункеров) для доставки и хранения зерновых материалов и продуктов их помола, учитывающая особенности функционирования системы «емкость - сыпучий материал»;
- методика проектирования загрузочно-распределительных устройств для стационарных и передвижных бункеров на основе параметрической модели их функционирования;
- аналитические выражения (методика проектирования) для определения основных эксплуатационных характеристик загрузочно-распределительных устройств;
- методика проектирования емкостей бункерно-силосного типа на основе параметрической модели их функционирования и аналитические выражения для определения их основных эксплуатационных характеристик;
- научная гипотеза о возможности транспортирования сыпучего материала в мобильных бункерах и выгрузки его с физико-механическими свойствами, близкими к свойствам исходного продукта.
