Совершенствование технологического процесса распределения известьсодержащих материалов центробежным разбрасывателем
На правах рукописи
СЛЕДЧЕНКО Виталий Анатольевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗВЕСТЬСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ РАЗБРАСЫВАТЕЛЕМ Специальность 05.20.01–Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Воронеж 2012
Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация машинно-тракторного парка» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I».
кандидат технических наук, доцент
Научный консультант:
Глазков Виктор Иванович
Официальные оппоненты: Скурятин Николай Филиппович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Белгородская государст венная сельскохозяйственная академия имени В.Я.Горина» Василенко Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский государст венный аграрный университет имени им ператора Петра I»
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное на учное учреждение «Всероссийский научно исследовательский институт защиты растений»
Защита диссертации состоится « 25 » мая 2012 г. в 12 часов на за седании диссертационного совета Д 220.010.04 при ФГБОУ ВПО «Воронеж ский государственный аграрный университет имени императора Петра I» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воро нежский государственный аграрный университет им. императора Петра I».
Автореферат размещен на сайте http://www.vsau.ru Автореферат разослан « 24 » апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент И.В. Шатохин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Сельскохозяйственные угодья Воронежской об ласти славятся, прежде всего, черноземом. Однако в результате длительного, порой нерационального использования они утрачивают свое естественное плодородие. В связи с сокращением объемов внесения органических удобре ний, 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 уро жайности сельскохозяйственных культур.
Основной путь улучшения плодородия кислых почв – известкование, которое кроме нейтрализации кислотности, способствует повышению эффек тивности минеральных удобрений, улучшает качество гумуса и т.д. При ост рой нехватке известковых материалов в области растут огромные залежи от ходов 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 со держит 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 от сутствием теоретических и экспериментальных исследований технологиче ского процесса распределения данного материала, а также отсутствием реко мендаций по рациональному использованию для этого имеющихся в хозяй стве машин.
Целью работы является повышение равномерности распределения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа машин для вне сения минеральных удобрений за счет выбора их рациональных параметров.
Объект исследования: технологический процесс внесения карбоната кальция рабочими органами центробежного типа.
Предмет исследования: закономерности изменения качественных по казателей 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 использо ванием 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 рас пределения частиц карбоната кальция модернизированным рабочим органом центробежного типа, отличающейся учетом его конструктивных особенно стей (угол установки дополнительных лопаток относительно положения ос новной лопатки) и места подачи на него материала, которая позволяет опре делить рациональные значения выше названных параметров, обеспечиваю щих распределение материала, соответствующее агротехническим требова ниям;
– в разработке новой конструкции рабочего органа центробежного ти па, 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 конст руктивных особенностей и режимов работы модернизированных рабочих ор ганов центробежного типа.
Практическая значимость: реализация нового технического решения рабочего органа центробежного типа (патент РФ №2281640) обеспечивает качественные показатели работы в диапазоне основных доз внесения карбо ната 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 центробежно го типа. Кроме того, полученные результаты исследований могут быть ис пользованы в учебном процессе, при дипломном проектировании и научно исследовательской работе студентов.
Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторно-полевых исследований, полученных с использованием измери тельной аппаратуры при достаточном количестве повторностей опыта, обра боткой опытных данных с использованием методов математической стати стики и актом проверки результатов исследований в лабораторно-полевых и производственных условиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского со става и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета (2004-2012 гг.). Опытный образец рабочего органа центробежного типа де монстрировался на выставке «АГРОСЕЗОН-2010. Современная техника и технологии в земледелии и животноводстве».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печат ных работ, в их числе 3 – в центральной печати и 1 патент РФ на изобрете ние.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вве дения, 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, со держит приложения на 25 страницах с 8 таблицами и 16 рисунками.
На защиту выносятся:
– математическая модель технологического процесса распределения частиц карбоната кальция модернизированным рабочим органом центробеж ного типа, отличающаяся учетом его конструктивных особенностей (угол ус тановки дополнительных лопаток относительно положения основной лопат ки) и места подачи на него материала, и позволяющая определить рацио нальные значения выше названных параметров, обеспечивающих распреде ление материала, соответствующее агротехническим требованиям;
– конструкция модернизированного рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего рациональные параметры распределения карбоната кальция в диапазоне основных доз внесения;
– закономерности изменения качественных показателей процесса рас пределения материала, с учетом конструктивных особенностей и режимов работы модернизированных рабочих органов центробежного типа.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы, сформулированы: цель ра боты, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены ос новные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» прове ден анализ причин увеличения площадей кислых почв и путей их сокраще ния. Одной из причин низкой эффективности известковых материалов явля ется отсутствие машин и агрегатов целевого назначения для качественного внесения мелиорантов, и другой – заниженные нормы вносимых известковых продуктов, из-за их дороговизны и уменьшения объемов производства в ус ловиях рыночной экономики, а также низкого содержания в них кальция, в частности, в дефекате. Приведена классификация и краткая характеристика известковых материалов. Анализ изучения состояния вопроса показал, что карбонат кальция химического синтеза является дешевым заменителем из вестковых материалов, запасы которого и ежегодный выход позволяет из вестковать большую часть кислых почв ЦЧО.
Анализ машин для внесения минеральных удобрений и мелиорантов показал возможность использования для внесения карбоната кальция машин типа РУМ (МВУ). Проведены предварительные полевые опыты по возмож ности использования машин данного типа для внесения карбоната кальция. В результате полевых опытов установлено, что данные машины нуждаются в модернизации только распределяющего устройства, так как транспортирую щее и дозирующее устройства обеспечивают подачу заданного количества материала на рабочие органы.
Вопросами совершенствования конструкций рабочих органов центро бежного типа занимались Василенко П.М., Кушилкин Б.А., Хоменко М.С., Черноволов В.А., Якимов Ю.И., Назаров С.И., Забродин В.П., Киров В.С., Карабаницкий А.П. и многие другие исследователи. В работах этих ученых отмечается, что качественные показатели центробежных разбрасывателей во многом определяются конструктивными и режимными параметрами центро бежных рабочих органов, а также целым рядом других факторов. Однако вы воды различных исследователей о влиянии этих факторов на распределение материала по ширине внесения и о характере этого распределения противо речивы. Анализ работ, посвященных изучению центробежно-дисковых аппа ратов и причин, вызывающих низкое качество их работы, показывает, что большая часть исследований посвящена изучению распределения материа лов, обладающих выровненным гранулометрическим составом. По этой при чине, несмотря на то, что в результате выполненных исследований накоплен большой теоретический и производственный материал, использовать его, применительно к внесению карбоната кальция, можно далеко не всегда. Это вызывает необходимость продолжения исследований в данном направлении.
По результатам проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Разработать математическую модель технологического процесса рас пределения карбоната кальция рабочим органом центробежного типа, позво ляющую обосновать его рациональные конструктивные параметры и техни ко-эксплуатационные режимы работы машины для внесения минеральных удобрений.
2. Обосновать принципиальную схему рабочего органа центробежного типа, обеспечивающего качественное внесение карбоната кальция соответст вующее агротехническим требованиям.
3. Выполнить экспериментальную проверку показателей работы маши ны для внесения минеральных удобрений при работе с предлагаемым уст ройством на распределении карбоната кальция.
4. Определить экономическую эффективность применения предложен ного технического решения.
Во втором разделе «Теоретические исследования технологического процесса работы разбрасывателя центробежного типа» для обоснования па раметров рабочего органа центробежного типа предпринята попытка смоде лировать технологический процесс распределения частиц карбоната кальция, начиная от подачи материала на рабочий орган центробежного типа и закан чивая распределением его по поверхности почвы.
Первая фаза технологического процесса заключается в сходе частиц материала с подающего транспортера и попадания их на центробежный ра бочий орган. Без учета сопротивления воздуха можно определить, что, падая с высоты Н (от верхней поверхности транспортера до верхней кромки лопат ки центробежного рабочего органа) (рисунок 1), при подлете к верхней кром ке лопатки рабочего органа центробежного типа высотой h частица материа ла обретает вертикальную скорость V V1 2g H, (1) где g – ускорение свободного падения тела, м/с ;
Н – высота от верхней поверхности транспортера до верхней кром ки лопатки центробежного рабочего органа, м.
Рисунок 1 – Схема конструкции распределяющего устройства: 1 – транспор тер;
2 – скатная доска;
3 – лопатка;
4 – диск;
Н – высота от верхней поверх ности транспортера до верхней кромки лопатки центробежного рабочего ор гана, м;
h – высота лопатки серийного центробежного рабочего органа, м.
Пренебрегая сопротивлением воздуха, определим время Т полета час тицы прошедшей непосредственно над верхней кромкой лопатки до поверх ности диска из уравнения движения. Получим V1 V12 2g h Т. (2) g У серийных машин для внесения минеральных удобрений частота вра щения центробежных рабочих органов составляет n = 750…900 мин-1 (угло вая скорость вращения = 78,5…94,2 рад/с). При такой частоте вращения центробежный рабочий орган за время падения частицы от верхней кромки лопатки до поверхности диска повернется на угол = 70…84.
На центробежном рабочем органе серийных машин установлены, в ос новном, 4 лопатки. Следовательно, частица материала (без учета взаимодей ствия частиц при движении в потоке) может достичь поверхности диска в свободном полете за 6…20 до подхода следующей лопатки. Данные расчеты показывают, что большинство частиц материала подхватываются лопатками на различной высоте над поверхностью диска. Остальные частицы попадают на поверхность диска и движутся по нему до прихода следующей лопатки.
Вторая фаза технологического процесса работы разбрасывателя харак теризуется движением частиц материала по центробежному рабочему органу.
Рассмотрим более подробно указанные выше варианты попадания частиц на рабочий орган центробежного типа.
В первом варианте частица подхватывается лопаткой после свободного полета. Рассмотрим схему сил, действующих на эту частицу при движении по лопатке. Для этого введем систему координат XOY в плоскости лопатки.
При этом ось Y совпадает с осью вращения центробежного рабочего органа (рисунок 2).
Обычно, как уже отмечалось ранее, движение частицы материала по поверхности лопатки центробежного рабочего органа рассматривают как движение по прямой, параллельной поверхности диска или почвы (при вер тикальной оси вращения центробежного рабочего органа). Однако, анализи руя вышесказанное, можно прийти к выводу, что после соприкосновения частицы с поверхностью лопатки ее вертикальное движение не прекращается мгновенно, а уменьшается по мере увеличения силы трения FТР1, направлен ной против вектора относительной скорости Vотн. Одновременно с этим, час тица обретает горизонтальный вектор скорости Vx по поверхности лопатки за счет центробежной силы m2х (рисунок 2). Кроме того, на частицу действует сила тяжести mg.
Таким образом, на частицу распределяемого материала массой m, по павшей на лопатку в точке с координатами [x0, y0] (рисунок 2), будут дейст вовать следующие силы:
1. Сила инерции m. Здесь – ускорение частицы при движении x x вдоль лопатки центробежного рабочего органа, м/с2.
2. Сила тяжести mg. Эта сила будет создавать вертикальную состав ляющую вектора относительной скорости частицы.
3. Центробежная сила m2r. При смещении лопатки на величину а от радиального направления эту силу можно разложить на две составляющие.
Составляющая m2rcos действует в направлении лопатки и создает горизон тальную составляющую вектора относительной скорости частицы. А состав ляющая m2rsin действует в перпендикулярном к лопатке направлении и участвует в создании силы трения о лопатку.
4. Сила Кориолиса 2 m х. Здесь х – горизонтальная составляющая вектора относительной скорости частицы вдоль лопатки. Эта сила участвует в создании силы трения о лопатку.
Рисунок 2 –Схема сил, действующих на частицу при движении по лопатке:
х0, у0 – координаты попадания частицы на лопатку, м;
r – текущий радиус по ложения частицы, м;
– угол конусности диска, град.;
– угол между цен тробежной силой и вектором относительной скорости движения частицы по лопатке, град;
– угол между текущим радиусом положения частицы и ра диусом параллельным лопатке, град;
а – величина смещения лопатки, м.
5. Сила трения о лопатку FТР1.
FТР1 f N1 f m (2 х а ), (3) где f – коэффициент трения материала о поверхность лопатки;
N1 – нормальная реакция поверхности лопатки, Н;
m – масса частицы, кг;
х – горизонтальная скорость частицы, м/с.
y х Силу трения FТР1 можно разложить на составляющие FТР1 и FТР1. Тогда получим 2 х а х, (4) FТР1 f m x 2 x y 2 х а y. (5) FТР1 f m y 2 x y На основе проекций сил в плоскости лопатки (рисунок 2) можно соста вить систему дифференциальных уравнений движения частицы по поверхно сти лопатки. Проведя соответствующие преобразования, окончательно полу чим 2 х а 2 x f x x x 2 y. (6) 2 х а g f y y x2 y Начальные условия движения частицы после попадания на лопатку:
x (0) x 0 ;
y (0) y 0 ;
x (0) 0;
y (0) V1.
Таким образом, получена задача Коши для нерасщепляемой системы квазилинейных дифференциальных уравнений 2го порядка, которая допуска ет только численное решение. Для решения данной задачи разработана про грамма «Траектория» в среде Maple 7, первая часть которой позволяет опре делить координаты положения частицы при движении по лопатке х(t) и y(t), x y величину горизонтальной ( Vотн (t)) и вертикальной ( Vотн (t)) составляющих относительной скорости движения частицы по лопатке в плоскости лопатки с учетом начальных условий.
После движения по лопатке частица материала попадает на диск. После этого траектория движения частицы изменяется, т.к. она начинает двигаться по диску вдоль лопатки. Изменяются и силы, действующие на лопатку. Кро ме того, появляется сила трения материала о поверхность диска FТР2 как ре зультат действия двух сил: горизонтальной составляющей центробежной си лы m2rcos и силы тяжести mg (рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема сил, действующих на частицу при движении по диску вдоль лопатки Для составления дифференциального уравнения движения частицы по диску вдоль лопатки введем дополнительную систему координат ZOY1, ось Z которой проходит по месту соединения лопатки с диском (рисунок 3).
Составляя сумму проекций сил в плоскости лопатки на ось Z и прирав нивая ее к произведению массы на ускорение, получим дифференциальное уравнение движения частицы по диску вдоль лопатки. Проведя соответст вующие преобразования, окончательно получим 2 z cos 2 f (2z cos а ) z (7) f (g cos 2 z cos sin ) g sin.
Решение данного дифференциального уравнения также осуществляется в численном виде с помощью программы «Траектория» в среде Maple 7, ко торая позволяет определить координаты положения частицы при движении x по диску вдоль лопатки х(t) и y(t), величину горизонтальной ( Vотн (t)) и вер y тикальной ( Vотн (t)) составляющих относительной скорости движения части цы по диску в плоскости лопатки с учетом начальных условий.
Следует отметить, что уравнения (6) и (7) получены для случая, когда лопатка смещена вперед по ходу вращения центробежного рабочего органа.
Если лопатка смещена назад относительно направления вращения центро бежного рабочего органа, то в уравнениях (6) и (7) перед выражением ·а вместо знака минус необходимо поставить знак плюс (либо смещение «а» в исходных данных взять со знаком минус).
Во втором варианте попадания частиц на рабочий орган центробежно го типа, как уже отмечалось выше, частица проходит над лопаткой, продол жает двигаться вертикально вниз и попадает на диск до прихода следующей лопатки. Далее частица движется по поверхности диска до прихода следую щей лопатки и присоединяется к потоку частиц, движущихся по диску вдоль лопатки.
Используя решения уравнений (6) и (7), можно определить величину времени t нахождения частицы на центробежном рабочем органе для каждо го из вариантов попадания. Подставив полученное значение времени t в функцию относительной скорости, полученную из уравнений (6) или (7), оп ределим значение этой скорости в момент схода частицы с центробежного рабочего органа.
Третья фаза технологического процесса работы разбрасывателя – сход частиц материала с центробежного рабочего органа.
Для определения величины и направления абсолютной скорости вос пользуемся рисунком 4.
Рисунок 4 – Схема к определению величины и направления абсолютной ско рости схода частицы с центробежного рабочего органа: а) в горизонтальной плоскости;
б) в плоскости полета частицы X1OY1.
Анализируя рассмотренные ранее варианты движения частицы по цен тробежному рабочему органу, можно сказать, что, в большинстве случаев, направление относительной скорости схода частицы с лопатки отклонено от горизонтального. Тогда абсолютная скорость схода частицы с центробежного рабочего органа будет равна геометрической сумме векторов вертикальной ( Vаy ) и горизонтальной ( Vах ) составляющих абсолютной скорости в плоско сти полета частицы (рисунок 4).
Vа Vах Vау 2. (8) Из рисунка 4 видно, что Vаy Vотн, Vах Vок Vотн 2Vок Vотн sin л у 2 х2 2 х (9) где л – угол установки лопатки, град.
Следовательно, абсолютная скорость слета частицы с центробежного рабочего органа с установленными на нем лопатками, отклоненными от ра диального положения, будет равна 2 х2 2 х у Vа Vок Vотн 2Vок Vотн sin л Vотн. (10) Направление вектора относительной скорости будет зависеть от места схода частицы с центробежного рабочего органа. Данное место характеризу ется координатами [xсх;
yсх] и углом сх (рисунок 4).
Из рисунка 4 видно, что сх з п, (11) где з – угол попадания частицы на лопатку, относительно горизон тальной оси (угол загрузки), град.;
п – угол попадания частицы на лопатку, относительно ее радиаль ного положения, град.;
– угол поворота центробежного рабочего органа за время нахож дения на нем частицы материала, град.
y з arctg з, (12) xз где xз, yз – абсолютные координаты попадания частицы на центробеж ный рабочий орган (зона загрузки), м.
x L п arctg arctg 0, (13) a a где L – длина лопатки, м.
Тогда абсолютные координаты точки схода частицы x сх R cos сх, (14) y сх R sin сх, (15) где R – радиус, описываемый внешней точкой лопатки, м.
R L2 a 2. (16) Зная угол схода частицы с центробежного рабочего органа, можно оп ределить направление вектора абсолютной скорости схода частицы с центро бежного рабочего органа в горизонтальной плоскости x Vотн cos л нп сх arccos. (17) Vаx Направление вектора абсолютной скорости схода частицы с центро бежного рабочего органа в вертикальной плоскости характеризуется углом 0. Из рисунка 4 видно, что Vay 0 arctg x. (18) Va В четвертой фазе технологического процесса частица массой m выле тает с центробежного рабочего органа под углом 0 к горизонту с начальной скоростью V0 = Vа (рисунок 5). При движении в сопротивляющейся среде (воздушное пространство) на нее действуют две силы: сила веса частицы m·g и сила сопротивления среды R.
Рисунок 5 – Схема к определению дальности полета частицы Проводя систему координат через начало полета, силы сопротивления воз духа R и скорость полета частицы V в произвольной точке траектории раз ложим по осям координат на две составляющие. Проектируя силы, дейст вующие на частицу, по оси x и y, приравнивая сумму действующих сил к произведению массы частицы на ускорение, получим систему дифференци альных уравнений полета частицы в стандартном виде. Проведя ее преобра зования, окончательно получим 2 k п Vx Vx Vy x. (19) 2 g k п Vy y Vx Vy Во втором выражении системы (19) верхний знак (–) относится к вос ходящему движению частицы, а нижний знак (+) к нисходящему.
Данная система уравнений не линейна и в таком виде не поддается ин тегрированию. Решение этих уравнений проводилось численным методом с помощью программы Maple 7, что позволило определить дальность полета частиц сходящих с центробежного рабочего органа.
При этом начальные условия имели вид x 0 x сх ;
y0 H1 y сх ;
x 0 Va cos 0 ;
y0 Va sin 0.
Используя полученные уравнения и пути их решения, разработана ма тематическая модель процесса распределения частиц материала рабочими органами центробежного типа. Эта модель была реализована в виде компью терной программы с использованием типовых средств программирования.
Для выявления причин некачественного внесения материала, в разра ботанную математическую модель внесены значения конструктивных и ки нематических параметров серийных центробежных рабочих органов, физико механические свойства материала, и проведены предварительные теоретиче ские исследования для различных вариантов зоны подачи материала на цен тробежные рабочие органы.
Анализ предварительных результатов теоретических исследований по казал, что частица, которую подхватывает лопатка, двигаясь по ней, либо по падает 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 6):
зона А – частица попадает на диск после движения по лопатке и сходит с него;
зона Б – частица не успевает прекратить вертикальное движение и схо дит с лопатки не касаясь диска.
Рисунок 6 – Схема вариантов попадания и траектории движения частиц При этом часть материала при сходе с лопаток будет иметь вектор аб солютной скорости, направленный вниз от горизонтальной плоскости, что уменьшает дальность полета частиц из данной области лопаток и увеличива ет количество вносимого материала вблизи рабочих органов центробежного типа. Все это приводит к неравномерному распределению материала по по лю.
Такая физическая картина движения частиц материала была положена в основу поиска возможных решений задачи обеспечения качественной рабо ты центробежного дискового аппарата при внесении карбоната кальция.
Приняты дополнительные ограничения:
- минимальное или нулевое изменение остальных узлов машины для внесения удобрений;
- простота переоборудования машины для внесения удобрений;
- возможность обратного переоборудования машины для внесения ми неральных удобрений.
С учетом изложенного были определены следующие направления по иска решения и, основанная на них, конструкция рабочих органов центро бежного типа.
1. «Перехватить» и перераспределить материал, сходящий с лопаток из зоны «Б» (рисунок 6).
2. Определить рациональные параметры зоны подачи материала на центробежные рабочие органы для обеспечения качественного его распреде ления.
В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных иссле дований» – изложена программа экспериментальных исследований, дано описание объекта исследования, измерительного оборудования и приборов, методики проведения и обработки результатов опытов.
В соответствии с поставленными задачами программой экспериментов было предусмотрено следующее:
1. Провести предварительные экспериментальные исследования по оп ределению работоспособности центробежных рабочих органов при внесении карбоната кальция.
Основные показатели для оценки рабочих органов центробежного ти па: равномерность распределения материала, отвечающая агротребованиям, и рабочая ширина внесения при разных секундных подачах материала.
2. Оценить адекватность математической модели процесса рас пределения данного материала.
3. Определить конструкцию центробежного рабочего органа, обеспечивающую наилучшие качественные показатели распределения дан ного материала, и провести его агротехническую и энергетическую оценки.
Для проведения исследований по изучению влияния конструктивных параметров распределяющих рабочих органов центробежного типа на харак тер распределения материала по поверхности поля, был изготовлен комплект быстросъемных модернизированных центробежных рабочих органов, конст рукция которых позволяла оперативно менять углы установки дополнитель ных лопаток (рисунок 7).
Экспериментальные исследования проводили на полях Опытной стан ции Воронежского ГАУ и на полях Рамонского района, согласно разработан ной методике.
Показатели качества работы разбрасывателя определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 28714-2007. Обработку полученных результатов про водили с применением ЭВМ.
Рисунок 7 – Опытный образец центро- Рисунок 8 – Измерительная ап бежного рабочего органа, установленный паратура, установленная на раз на разбрасывателе. брасывателе.
При проведении энергетической оценки работы разбрасывателя с мо дернизированными рабочими органами центробежного типа использовали электротензометрирование (рисунок 8).
В четвертом разделе «Результаты исследований и их анализ» пред ставлены результаты теоретических и экспериментальных исследований.
На начальном этапе исследований, чтобы определить возможность ис пользования существующих рабочих органов центробежного типа при вне сении карбоната кальция, было решено провести предварительные экспери менты. С учетом технической возможности кафедры, в качестве объектов предварительных исследований решено использовать серийные центробеж ные рабочие органы машины для внесения минеральных удобрений типа РУМ (МВУ) и усовершенствованные центробежные рабочие органы данной машины, предложенные ранее исследователями кафедры. Данные варианты центробежных рабочих органов назовем, соответственно, вариант 1, вариант 2 и вариант 3. В 1-м варианте на конусном диске установлены 4 лопатки под углом -3° относительно радиального положения. Во 2-м варианте лопатки се рийного центробежного рабочего органа удлинены до радиуса 0,41 м, а на их концах вниз от поверхности диска установлены наставки, высотой, равной высоте лопаток. В 3-м варианте дополнительно на центробежный рабочий орган как в варианте 2 установлено два ряда лопаток разной длины.
В качестве показателя для оценки качества работы центробежных ра бочих органов принята рабочая ширина внесения в зависимости от места по дачи при различных секундных подачах карбоната кальция.
Результаты предварительных испытаний представлены на рисунках 9...11.
Вр, м, град 15 20 25 30 35 q=8,56 q=17,34 q=25, Рисунок 9 – Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от положе ния делителя (центробежный рабочий орган вариант 1) Вр, м 40, град 15 20 25 30 q=8,56 кг/с q=17,34 кг/с q=25,56 кг/с Рисунок 10 – Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от положе ния делителя (центробежный рабочий орган вариант 2) Вр, м, град 15 20 25 30 35 q=8,56 кг/с q=17,34 кг/с q=25,56 кг/с Рисунок 11 – Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от поло жения делителя (центробежный рабочий орган вариант 3) Анализ полученных данных показал, что ни один из представленных рабо чих органов центробежного типа не может обеспечить указанные в техниче ской характеристике для данной машины параметры распределения.
Это подтвердило целесообразность дальнейших исследований техноло гического процесса распределения карбоната кальция центробежным диско вым аппаратом.
Для проверки адекватности разработанной математической модели, ис ходные данные, полученные в ходе предварительных испытаний серийного рабочего органа центробежного типа, были заложены в разработанную про грамму «Траектория» расчета технологического процесса работы рабочего органа центробежного типа (конструктивные и технологические параметры центробежного рабочего органа, место подачи материала и его физико механические свойства). В результате получены теоретические кривые рас пределения частиц материала.
Как видно из рисунка 12 теоретическая и экспериментальная кривые достаточно близки, в т.ч. схожи по характеру распределения, что свидетель ствует об адекватности математической модели и возможности ее примене ния для проектировочных расчетов.
Хорошая сходимость теоретических и экспериментальных исследова ний позволила использовать математическую модель и компьютерную про грамму «Траектория» для моделирования процесса внесения карбоната каль ция и определения характера его распределения в зависимости от различных параметров центробежного аппарата, а также физико-механических свойств разбрасываемого материала.
% q=теоретический q=экспериментальный -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 В, м Рисунок 12 – Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований Анализируя результаты компьютерного моделирования можно сделать вывод, что наиболее существенное влияние на характер распределения час тиц оказывают следующие конструктивные и режимные параметры: зона по дачи материала на центробежный рабочий орган, длина лопаток на диске и их смещение относительно радиального положения, частота вращения цен тробежных рабочих органов и конусность дисков.
Однако их изменение, даже в совокупности, не позволяет добиться ука занной в техническом описании к серийному разбрасывателю типа РУМ (МВУ) рабочей ширины внесения для пылевидных и слабопылящих мате риалов, а тем более ее повысить.
Анализируя результаты компьютерного моделирования, а также пред положения, сделанные ранее во второй главе данной работы, можно утвер ждать, что есть еще один фактор, оказывающий большое влияние на качество распределения материала центробежным рабочим органом. Это направление слета частицы с лопатки в вертикальной плоскости. Компьютерные расчеты показали, что частицы, попадающие на лопатку в зоне Б (рисунок 6) практи чески не обретают горизонтальный вектор скорости и, можно сказать, ссы паются с центробежного рабочего органа. Этот процесс оказывает негатив ное влияние на качество распределения материала, а, следовательно, умень шается рабочая ширина внесения. Для подхвата и перераспределения частиц на серийный центробежный рабочий орган снизу необходимо установить до полнительные лопатки.
С учетом возможности установки на серийные центробежные рабочие органы дополнительных лопаток математическая модель и компьютерная программа ее реализующая были доработаны.
При проведении компьютерного моделирования было замечено, что частицы, сходящие с основных лопаток центробежного рабочего органа вниз, достигают уровня нижней лопатки через 10…15° угла поворота рабочего ор гана центробежного типа. Следовательно, для их подхвата и перераспределе ния дополнительные лопатки необходимо отклонять от основных лопаток на 10…15° назад по ходу вращения центробежного рабочего органа.
На рисунке 13 представлены теоретические зависимости рабочей ши рины внесения от угла наклона створок делителя при различных углах уста новки дополнительных лопаток.
Вр, м +15° 0° -15° 15 20 25 30 35 40, град Рисунок 13 – Теоретическая зависимость рабочей ширины внесения от по ложения делителя при различных углах установки дополнительных лопаток Из графиков видно, что наибольшая рабочая ширина внесения получа ется при ориентировке дополнительных лопаток под углом -15° относитель но положения основной лопатки.
С целью проверки результатов теоретических исследований проведены полевые испытания разбрасывателя минеральных удобрений с модернизиро ванными рабочими органами центробежного типа на внесении карбоната кальция.
На первом этапе экспериментальных исследований необходимо было проверить работоспособность предлагаемой конструкции центробежных ра бочих органов на внесении карбоната кальция и оценить адекватность разра ботанной математической модели.
Помимо этого, в задачу исследований входило определение влияния на качественные показатели распределения материала модернизированными центробежными рабочими органами следующих основных параметров: угла установки дополнительных лопаток;
секундной подачи карбоната кальция на рабочие органы центробежного типа;
положения делителя потока.
Для реализации первого этапа экспериментальных исследований на разбрасыватель был установлен комплект рабочих органов центробежного типа, изготовленный по патенту РФ №2281640. Все дополнительные лопатки на диске были установлены под углом 15° против вращения по отношению к основным лопаткам. С данным комплектом центробежных рабочих органов проведена серия опытов при различных секундных подачах карбоната каль ция.
Результаты исследований представлены на рисунке 14. Однако, в таком виде они малоинформативные. Для более наглядного представления резуль татов экспериментов, они были обработаны методами математической стати стики с использованием разработанной программы «Наложение» и представ лены в виде таблицы 1.
q=25,56 кг/с q=17,34 кг/с q=8,56 кг/с -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Рисунок 14 – Распределение материала по поверхности поля при различных секундных подачах Таблица 1 – Сводные результаты экспериментальных исследований Секундная подача материала, кг/с Наименование показателя 8,56 17,34 25, 1. Общая ширина внесения, м 25 24 2. Неравномерность на общей 50,3 48,4 46, ширине внесения, % 3. Рабочая ширина внесения, м 14,5 15 4. Неравномерность на рабочей 23,7 24,4 24, ширине внесения, % 5. Перекрытие смежных про 10,5 9 ходов, м 4. Доза внесения, кг/м2 0,29 0,58 0, Данные таблицы показывают, что в диапазоне доз внесения от 0,29 до 0,85 кг/м2 модернизированные рабочие органы центробежного типа обеспе чивают рабочую ширину внесения от 14,5 до 15 м при перекрытии смежных проходов 9…10,5 м. Соответственно будет обеспечиваться производитель ность на уровне машин серийного производства (РУМ, МВУ), у которых ра бочая ширина внесения для пылевидных и слабопылящих материалов (по паспорту) составляет 12…14 м.
Для проверки сходимости теоретических расчетов и эксперименталь ных данных на рисунке 15 представлены теоретическая и экспериментальная эпюры распределения. Как видно из рисунка 15 теоретическая и эксперимен тальная кривые достаточно схожи по характеру распределения, что свиде тельствует об адекватности совершенствованной с учетом изменений конст рукции центробежного рабочего органа математической модели.
% эксперимент теория 10 11 В, м -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Рисунок 15 – Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований Второй этап экспериментальных исследований был посвящен опреде лению рациональных параметров зоны подачи карбоната кальция на рабочие органы. Опыты проводились при подачах карбоната кальция на рабочие ор ганы 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.
Результаты этого этапа исследований представлены на рисунке 16.
Вр, м, град.
15 20 25 30 35 q=8,56 кг/с q=17,34 кг/с q=25,56 кг/с Рисунок 16 – Изменение рабочей ширины захвата в зависимости от положения делителя Из рисунка 16 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 эксперимен тальных исследований, подтверждает результаты теоретических исследова ний.
На следующем этапе экспериментальных исследований определялось влияние угла установки дополнительных лопаток относительно положения основных лопаток на качество распределения материала по поверхности поч вы. Опыты проводились при углах установки дополнительных лопаток от -20° до +5° (с интервалом в 5°) во всем интервале выбранных секундных по дач материала при установке створок делителя потока на угол 35 как луч ший по результатам предыдущего этапа исследований.
Полученные графики распределения были обработаны с помощью раз работанной программы «Наложение». Результаты данной обработки пред ставлены на рисунке 17.
Вр, м 15, 14, 13, 12, -25 -20 -15 -10 -5 0 5, град.
q=8,56 кг/с q=17,34 кг/с q=25,56 кг/с Рисунок 17 – Зависимость рабочей ширины внесения от угла установки дополнительных лопаток Анализ графиков показывает – наибольшие значения рабочей ширины внесения получены при углах установки дополнительных лопаток -10…-15°, что подтверждает результаты теоретических исследований.
При этом рабочая ширина захвата составит 14,5...15 м, а доза внесения карбоната кальция от 0,29 до 0,85 кг/м2 (в зависимости от подачи материала на центробежный рабочий орган).
На рисунке 18 представлены графики зависимости затрат мощности на привод центробежных рабочих органов от подачи материала. Из рисунка 4. видно, что затраты мощности на привод модернизированного центробежного рабочего органа выше затрат мощности на привод серийного центробежного рабочего органа во всем диапазоне секундных подач. Это можно объяснить увеличением массы модернизированного центробежного рабочего органа и увеличением затрат мощности на преодоление сопротивления воздуха до полнительными лопатками.
Nд, кВт серийный модернизированный q, кг/с 0 5 10 15 20 Рисунок 18 – Зависимость затрат мощности на привод центробежного рабочего органа от подачи Более объективную оценку работы центробежных рабочих органов можно сделать не по общим затратам мощности на их привод, а по удельным, то есть по затратам мощности, приходящейся на один метр рабочей ширины за хвата. Зависимость удельных затрат мощности на привод центробежных ра бочих органов от секундной подачи представлена на рисунке 19.
Из рисунка 19 видно, что удельные затраты мощности на привод мо дернизированных центробежных рабочих органов ниже, чем у серийных во всем диапазоне секундных подач материала. Это можно объяснить увеличе нием рабочей ширины внесения карбоната кальция, что ведет к увеличению производительности агрегата, а следовательно и к снижению удельных за трат мощности на технологический процесс.
N, кВт/м 0, 0, 0, серийный модернизированный q, кг/с 0 5 10 15 20 Рисунок 19 – Зависимость удельных затрат мощности от подачи В пятом разделе «Технико-экономическая оценка эффективности приме нения модернизированных центробежных рабочих органов при распределе нии карбоната кальция» – представлены результаты расчетов технико экономических показателей эффективности использования центробежного разбрасывателя. В качестве объекта для сравнения выбрана серийно выпус каемая машина для внесения минеральных удобрений МВУ-5.
Анализ полученных данных показал, что несмотря на несколько более высокие затраты на амортизацию и ремонт, годовой экономический эффект может быть получен за счет экономии затрат на оплату труда и ТСМ путем повышения производительности агрегата. При этом экономия прямых экс плуатационных затрат составит 50765,3 руб. в год.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по зволили сделать следующие выводы:
1. Анализ машин для внесения минеральных удобрений и мелиорантов, а также параметров их распределяющих устройств, показал возможность ис пользования для распределения карбоната кальция машин с центробежным дисковым аппаратом типа МВУ (РУМ). Результаты предварительных экспе риментальных исследований по распределению карбоната кальция показали, что серийные рабочие органы центробежного типа обеспечивают требуемые дозы внесения от 0,3 до 0,9 кг/м2. Однако рабочая ширина внесения при этом составила от 2 до 11 м при агротехнически допустимой неравномерности внесения.
2. Разработана математическая модель технологического процесса рас пределения карбоната кальция рабочим органом центробежного типа, позво ляющая оценить влияние их конструктивных (положение делителя потока, длина лопатки, смещение лопатки относительно радиального положения и конусность диска) и режимных параметров (частота вращения) на качество распределения материала. Результаты теоретических исследований показали, что варьирование вышеперечисленными параметрами на серийном рабочем органе центробежного типа не позволяет обеспечить рабочую ширину внесе ния, указанную в технической характеристике серийной машины.
3. С помощью математической модели обоснована необходимость применения дополнительных лопаток и предложена принципиальная схема центробежного рабочего органа (патент на изобретение РФ №2281640).
4. С учетом особенностей разработанной конструкции центробежного рабочего органа уточнена математическая модель, позволившая определить такие параметры как угол установки дополнительных лопаток и положение делителя потока. Исходя из полученных данных определено, что наибольшая теоретическая рабочая ширина внесения обеспечивается при угле установки дополнительных лопаток -15° и угле установки делителя потока 35°.
5. Экспериментальные исследования машины для внесения минераль ных удобрений с усовершенствованными рабочими органами центробежного типа на внесении карбоната кальция показали, что при подаче материала в пределах 8,56…25,56 кг/с обеспечиваются дозы внесения от 0,29 до 0,85 кг/м2, при рабочей ширине внесения 14,5…15 м, неравномерности рас пределения 23,7…24,4% и перекрытии смежных проходов 9…10,5 м. При этом угол установки дополнительных лопаток должен быть -10…-15°, а под вижные стенки делителя потока должны быть установлены с углом наклона 30…35°.
6. Энергетическая оценка работы машины для внесения минеральных удобрений на внесении карбоната кальция показала, что затраты мощности при работе с модернизированными центробежными рабочими органами вы ше, чем при работе с серийными центробежными рабочими органами во всем диапазоне секундных подач материала. Однако из-за увеличения рабочей ширины внесения удельные затраты мощности оказываются меньше и со ставляют 0,17…0,30 кВт/м.
7. Годовой экономический эффект на один переоборудованный разбра сыватель МВУ-5 при средних дозах внесения карбоната кальция составит 50,8 тыс. руб.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ 1. Глазков В.И. Анализ движения частиц удобрений по лопаткам центро бежного рабочего органа / В.И. Глазков, В.А. Следченко, В.П. Шацкий // Меха низация и электрификация сельского хозяйства. – 2010. – №10. – С. 26-27.
2. Глазков В.И. Центробежный рабочий орган для внесения карбоната кальция / В.И. Глазков, В.А. Следченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – №10. – С. 15-16.
3. Глазков В. Удобрения ложатся в почву равномерно / В. Глазков, В. Следченко // Сельский механизатор. – 2008. – №3. – С. 15.
Изобретения и полезные модели 4. Пат. №2281640 РФ, МПК7 А 01 С 17/00. Рабочий орган центробеж ного разбрасывателя удобрений / Дьячков А.П., Глазков В.И., Следчен ко В.А.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ВГАУ им. К.Д. Глинки. №2005108106/12;
заявл. 22.03.05;
опубл. 20.08.06, Бюл. №23. – 8 с.:ил.
Статьи в сборниках научных трудов и отраслевых журналах 5. Следченко В.А. Использование и возможности механизации внесения карбоната кальция промышленного синтеза / В.А. Следченко // Повышение эффективности использования, надежности и ремонта сельскохозяйственных машин: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр. ун-т. им. К.Д. Глинки. – Воро неж, 2005. – С. 45-47.
6. Глазков В.И. Центробежные разбрасыватели минеральных удобре ний на внесении карбоната кальция промышленного синтеза / В.И. Глазков, В.И. Следченко // Повышение эффективности использования, надежности и ремонта сельскохозяйственных машин: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр.
ун-т. им. К.Д. Глинки. – Воронеж, 2005. – С. 88-90.
7. Производственная проверка рабочих органов центробежного типа на внесении известковых материалов / А.П. Дьячков [и др.] // Повышение эффек тивности использования, надежности и ремонта сельскохозяйственных ма шин: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр. ун-т. им. К.Д. Глинки. – Воронеж, 2005. – С. 29-32.
8. Глазков В.И. Теоретические предпосылки создания рабочего органа центробежного типа для внесения известковых материалов / В.И. Глазков, В.А. Следченко, С.Т. Перегудов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте:
Сб. науч. тр. /Воронежская гос. лесотехническая академия. – Воронеж, 2006.
– Вып. 1. – С. 149-153.
9. Глазков В.И. Новый рабочий орган на внесении мелиорантов / В.И. Глазков, В.А. Следченко // Мировой опыт и перспективы развития сель ского хозяйства: Сб. науч. тр. / Воронежский гос. аграр. ун-т. им. К.Д. Глинки.
– Воронеж, 2008. – Ч. 1. – С. 173-175.
Подписано в печать 23.04.2012 г. Формат 60х801/16. Бумага кн.-журн.
Усл. п.л. 1,0. Гарнитура Таймс. Тираж 100 экз. Заказ № 6062.