Повышение эффективности работы рулонного пресс-подборщика путем оптимизации параметров механизма натяжения прессующих ремней
На правах рукописи
БЕЛОВА НАДЕЖДА НИКОЛАЕВНА
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РУЛОННОГО
ПРЕСС-ПОДБОРЩИКА ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ
МЕХАНИЗМА НАТЯЖЕНИЯ ПРЕССУЮЩИХ РЕМНЕЙ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2009
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Северо Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сечкин Василий Семенович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Валге Александр Мартынович доктор технических наук, профессор Ковальчук Юзеф Константинович
Ведущая организация ФГУ «Северо-Западная государственная зональная МИС»
Защита состоится 16 апреля 2009 г. в 9 00 часов на заседании диссертаци онного совета Д 006.054.01 при ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии по ад ресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, 3, ауд. 201, факс (812) 466-56-66, E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии
Автореферат разослан 6 марта 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основной задачей многих сельскохозяйственных машин является автоматическое поддержание заданных показателей во всем технологическом диапазоне, что достигается путем использования пружинных механизмов подвески и созданием требуемых нагрузок на исполнительные уст ройства. Например, для пресс-подборщика ПР-1,5, предназначенного для фор мирования крупных паковок (рулонов) при уборке льна-долгунца, требуется стабильность натяжения прессующих ремней.
От стабильности упругих характеристик механизма натяжения прессую щих ремней зависит качество формирования рулона по равномерности его плотности в направлении от сердцевины к периферии, что позволит повысить производительность труда, снизить потерю массы прессуемого материала и расходный материал, включая ГСМ.
В стратегии машино-технологического обеспечения производства сельско хозяйственной продукции России на период до 2010 года, одобренной научной сессией Россельхозакадемии 13-14 октября 2003 года и утвержденной Мин промнауки России, Минсельхозом России и Россельхозакадемией, отмечается целесообразность формирования рулонов и обеспечения их оптимальных па раметров для первичной переработки льнопродукции.
Поэтому работа, посвященная исследованию методов анализа и синтеза пружинного механизма натяжения ремней пресс – подборщика, является акту альной и имеет особую значимость для сельскохозяйственной отрасли.
Работа выполнена в соответствии с научной программой РАСХН по про блеме 09. Разработать высокоэффективные машинные технологии и техниче ские средства нового поколения для производства конкурентоспособной сель скохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства «Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований» по научному обеспечению развития Агропромыш ленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг. т.е. 09.01.02 «Раз работать высокопроизводительную технику нового поколения для производст ва приоритетных групп продукции растениеводства», программы фундамен тальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития Агропромышленного комплекса РФ.
Цель исследования. Повышение эффективности работы рулонного пресс подборщика путем оптимизации параметров механизма натяжения прессующих ремней.
Объект исследования. Рулонный пресс – подборщик ПР-1,5, технологи ческий процесс его работы, пружинные механизмы подвески рабочих органов сельскохозяйственных машин, условия их функционирования, агротехнические требования к выполнению технологических процессов.
Предмет исследования. Теория, методика анализа и синтеза пружинных механизмов с учетом изменения направления действия внешней силы, дейст вующей на механизм. Методы математического моделирования формирования плотности рулона в зависимости от параметров механизма натяжения.
Методика исследований. Методика теоретических исследований базиро валась на положениях и методах аналитической механики, аналитической гео метрии, теории приближения, а также численных методах анализа, оптимиза ции и математического программирования. Полевые исследования проведены на основе общепринятых методик в соответствии с действующими отраслевы ми стандартами, анализ экономической эффективности проведен на основе об щепринятых методик.
Научная новизна. Научную новизну работы составляют: уточненные тео ретические основы и методика исследований, анализа и синтеза механизма подвески с учетом изменчивости направления действия силы на пружинный механизм, математическая модель для исследования упругих характеристик пружинного механизма натяжения прессующих ремней, программа для ПЭВМ, рациональные параметры пружинного натяжного механизма заднего контура прессующих ремней пресс – подборщика. Доказана нелинейность упругих ха рактеристик пружинного механизма натяжной рамки.
Практическая ценность. Рациональные параметры пружинного механиз ма подвески натяжного устройства заднего контура прессующих ремней пресс подборщика ПР-1,5, позволяющие обеспечить равномерность плотности рулона по объему за счет стабильности натяжения прессующих ремней П-образной на тяжной рамкой. Программа Sintes – ПР-1,5 для ПЭВМ, предназначенная для ис следования упругих характеристик пружинного механизма подвески, может быть использована при исследовании аналогичных механизмов.
Реализация результатов исследований. Результаты научно – исследова тельских работ использованы:
ЗАО “Бежецксельмаш” при модернизации механизма натяжения прессую щих ремней заднего контура рулонного пресс – подборщика ПР-1,5 для подбо ра и прессования льна – долгунца;
в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторно практи ческих занятий по прикладным программам в Костромской ГСХА, Великолук ской ГСХА, Чувашской ГСХА, Санкт – Петербургском ГАУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты ис следований доложены и одобрены на научно–практических конференциях: в Санкт – Петербургском государственном аграрном университете (2004, 2008, 2009 гг.);
на международной научно – практической конференции в ФГОУ ВПО Башкирском государственном аграрном университете (г. Уфа, 2007 г.);
в ОАО «Бежецксельмаш» (г. Бежецк, 2002 - 2003 г.);
на международной конфе ренции в СПб РО МААО (г. Санкт-Петербург, 2006, 2008 г.г.);
на 5-ой между народной научно-практической конференции в ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхо закадемии (Санкт-Петербург-Павловск, 2007 г.).
Публикации. Всего научных публикаций 23, основные по теме диссертации – 10, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации трудов соискателей учёных степеней –4.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использован ной литературы и приложений. Диссертация изложена на 173 страницах: из них 134 страницы машинописного текста;
17 таблиц, 36 рисунков, 9 приложений.
Список использованной литературы включает 146 наименований, из них электронного адреса из интернет.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защи ту:
уточненные теоретические основы методики анализа и синтеза рациональ ных параметров натяжного механизма прессующих ремней заднего контура пресс-подборщика с учетом изменения направления действия силы на на тяжной механизм;
математическая модель и программа для ПЭВМ для исследования пружин ных механизмов подвески, анализа и синтеза их рациональных параметров;
результаты исследования упругих характеристик пружинного механизма на тяжения заднего контура прессующих ремней пресс – подборщика, рациональные параметры механизма подвески П-образной натяжной рамки прессующих ремней заднего контура рулонного пресс – подборщика.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, и изложены основные поло жения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ состояния вопроса» проведен анализ современно го состояния проблемы механизированной уборки льна-долгунца, определены цель и задачи исследования.
Уборка льна – долгунца — сложный энергоемкий, трудоемкий процесс.
Правильный выбор способа уборки обеспечивает сохранность урожая льнопро дукции, ее качество и сокращает до минимума потери.
Разработкой технологий и технических средств уборки льна занимались крупнейшие ученые-льноводы - Н.Н. Быков, В.Г. Черников, М.М. Ковалев, В.М. Луценко, В.И. Сизов, ГА. Хайлис, М.Н. Шрейдер, Б.С. Петухов, С.А. Кат ченков и др.
Наибольший уровень интенсификации уборочных работ волокнистой льнопродукции достигается при рулонной технологии, которая позволяет пол ностью механизировать погрузо-разгрузочные работы.
Для прессования льнотресты в рулоны используют много различных моди фикаций пресс-подборщиков, например, ПРП-1,6 с приспособлением ПРЛ- или ПРЛ-2, ПРУ-200, ПР-1500, ПР-1,5 и др.
Конструктивно отечественные и зарубежные пресс-подборщики можно разделить на 2 большие группы по принципу формирования рулона:
с переменной камерой прессования;
с постоянной камерой прессования.
При многократном выполнении погрузо-разгрузочных работ рулон теряет форму, почти «сплющивается», что приводит к снижению сохранности.
На основе анализа литературных источников, а также требований к форме рулона, наиболее оптимальным для подбора льна - долгунца следует считать пресс – подборщик с переменной камерой прессования.
В соответствии с разработанной на 2008–2010 годы ведомственной про граммой по льноводству от 01.06.2007 «О ходе подготовки федеральной про граммы «Развитие льняного комплекса России на 2008-2012 гг.» предусмотрено на 2008–2012 годы финансирование – 1,8 млрд. р., в т.ч. на научно – исследова тельские и опытно–конструкторские работы институтов, что подтверждает ак туальность проблемы.
При этом особо выделена проблема создания пресс-подборщика с прессо вальной камерой переменного объема. В связи с изложенным и принятой целью исследований, поставлены следующие задачи:
исследовать процесс формирования рулонов в прессовальной камере с по стоянным и переменным объемом, выявить наиболее оптимальную камеру прессования;
разработать теоретические основы анализа и синтеза параметров натяжно го механизма прессующих ремней с учетом изменения направления натяже ния ремней;
разработать математическую модель функционирования пружинного ме ханизма натяжения прессующих ремней заднего контура рулонного пресс – подборщика;
на основе полученной математической модели разработать компьютерную программу для исследования пружинных механизмов натяжения прессующих ремней;
исследовать влияние параметров механизма натяжения на процесс прессо вания, выполнить анализ и синтезировать рациональные конструкционно технологические параметры пружинного механизма натяжения прессующих ремней рулонного пресс-подборщика;
реализовать полученные рациональные параметры пружинного механизма натяжения в опытном образце рулонного пресс – подборщика;
провести испытания модернизированного варианта пресс-подборщика в производственных условиях и проанализировать результаты, определить эко номическую эффективность модернизации пресс-подборщика.
Во второй главе «Теоретические основы синтеза пружинных механиз мов пресс-подборщика» изложены анализ процесса формирования рулона пресс-подборщика с переменной и постоянной камерой прессования, а также теоретические основы анализа и синтеза параметров механизма подвески (МП) натяжной П-образной рамки.
В процессе работы пресс-подборщика камера прессования (рис. 1), охваты ваемая прессующими ремнями, по мере подачи массы все время изменяет свой размер, что приводит к изменению положения П-образной рамки и блока вальцов, поддерживающих одновременно два контура прессующих ремней (переднего и заднего контура).
Принципиальная особенность механизма натяжения в сравнении с наиболее распространенными механизмами та (рис. 1), что направление силы натяжения ремней по мере поворота П-образной натяжной рамки изменяется (рис. 2).
В связи с тем, что существующий вариант пружинного механизма натяж ной П-образной рамки не в полной мере удовлетворяет требованиям по ста бильности натяжения прессующих ремней, проведены исследование этого ме ханизма с целью выравнивания плотности рулона от сердцевины к периферии.
Рисунок 1 – Схема форми рования рулона ПР-1,5.
По мере увеличения диа метра рулона П-образная натяжная рамка повора чивается, преодолевая усилие пружин против часовой стрелки, и обес печивает натяжения прессующих ремней, а ремни в свою очередь оказывают давление на поверхность по перимет ру формируемого рулона.
Определение основных упругих характеристик проведено на основе схемы и условных обозначений, введенных на рис. 2, 3.
В рассматриваемом пружинном механизме подвески натяжение прессующих ремней заднего контура является заданным параметром для принятой конструкции пресс-подборщика. Наши результаты исследования П-образной натяжной рамки в рабочей зоне поворота (между крайними положениями) показали, что направление натяжения прессующих ремней заднего контура изменяется до 18.
Во внимание примем две группы сил: силу растяжения пружины F RP и про тиводействующую – силу натяжения ремней F Р.
В соответствии с рис. 2 момент сил натяжения прессующих ремней (рабоче го органа) имеет вид:
М РО FP hP, (1) где F P - сила натяжения прессующих ремней, Н;
h P - плечо действия силы натяжения прессующих ремней, м.
Зависимость для момента сил натяжения прессующих ремней, после под становок и элементарных преобразований, в окончательной форме имеет вид:
L3 Р LБ cos НР ДОП arccos М РО FP L3Р sin, (2) LБ L3 Р 2 LБ L3Р cos НР ДОП 2 где L3 Р - длина рычага на П-образной рамке, ограниченная шарниром поворота на раме машины и шарниром натяжных вальцов, м;
LБ - длина рамы (отрезка), ограниченная шарниром поворота П-образной натяжной рамки на раме, и на правляющими вальцами, м;
НР - угол, характеризующий поворот П-образной рамки от начального положения, град.;
ДОП - угол, характеризующий положе ние П-образной рамки относительно звена LБ, град.
Очевидно (рис. 2, 3), что идеальное постоянство натяжения прессующих ремней возможно при условии, что момент сил пружины будет равен во всей рабочей зоне поворота П-образной рамки.
Момент сил пружины по рис. 3 запишем в виде:
M RP F RP h RP, (3) где F RP - сила растяжения пружины, приложенная к шарниру присоединения блока пружин к П-образной рамке, и направлена вдоль оси блока пружин, Н;
hRP – плечо действия силы пружины, м.
Рисунок 2 – Схе ма к определению основных силовых характеристик Показано из менение направ ления натяжения (F P ) прессующих ремней ПР-1,5 в процессе форми рования рулона Подставив параметры механизма подвески, выполнив преобразования, по лучим момент сил пружины в развернутом виде:
L M RP + L2 Р - 2 L1Р L 2Р cos Q Р H CP C P L 2 P 1Р, (4) L 2 Р - L1Р cos Q Р sin arccos 2 L1 Р + L2 Р - 2 L1Р L 2Р cos Q Р где L2Р – радиус приложения силы блока пружин, м;
НСР – приведенная длина пружины в свободном состоянии, м;
СР - жесткость пружины (или блока пру жин) Н/м;
L1P - отрезок рамы, ограниченный шарниром крепления двуплечего рычага на раме и точкой крепления пружины к раме (рис. 2, 3), м;
QP - угол, ха рактеризующий текущее положение рычага приложения силы пружины, отно сительно отрезка рамы, ограниченный шарниром П-образной рамки и точкой крепления блока пружин на раме, град.
Полученная зависимость (4) момента сил пружины учитывает все парамет ры механизма, который действует на П-образную рамку. Общий анализ полу ченных зависимостей показывает, что упругие характеристики механизма зави сят не только от жесткости пружин, но и от других параметров.
Полученные зависимости представляют собой математическую модель ис следуемого механизма, на основе которой разработана программа для проведе ния исследования и синтеза рациональных параметров натяжного механизма прессующих ремней при определенных условиях.
На П-образной рамке силы приложе ны к двуплечему рычагу с углом между рычагами Р (рис. 2, 3), состоящему из рычага действия сил пружины L2Р и рыча га действия сил натяжения прессующих ремней L3Р.
Рисунок 3 – Схема действия сил пру жины на натяжную П-образную рамку.
Стабилизация результирующего усилия (натяжения ремней) возможно при обеспечении одинаковой ( М PO М RP ) кривизны двух зависимостей (2), (4), где функция М RP f (QР ) является приближаемой. Следовательно, к функции М РО f ( НР ) с заданными конструктивными особенностями машины, требует ся подобрать параметры конструкции пружинного механизма натяжения прес сующих ремней заднего контура таким образом, чтобы выполнилось условие:
max M PO ( HP ) M RP ( Q P ) HP HP min, (5) max F P ( HP ) F RP (Q P ) HP HP где FP, FRP – нагрузка, приведенная к оси натяжных вальцов П-образной рам ки, соответственно натяжения ремней и растяжения пружин, Н.
Далее определена точка экстремума ( QР, H CP ) момента сил, соответст Э вующая условию М РО М RP, по зависимости:
Э H CP L2 Р + L22 Р - 2 L1Р L 2Р cos Q Р Э L3 Р L Б cos НР ДОП arccos F P L3 Р sin Э L2 L2 Р 2 L Б L 3 Р cos НР ДОП. (6) Б L 2 Р - L1Р cos Q Р C P L2 P sin arccos 2 L1 Р + L 2 Р - 2 L1Р L 2Р cos Q Р 2 Определив экстремум функции НСP =(QP ) по (6) и соответствующие ему Э точки экстремума Q Р, H CP, можно исследовать характер изменения натяжения прессующих ремней.
Анализ рис. 2, 3 показывает, что справедливо соотношение:
Q Р НР P ДОП, (7) где Р – угол между рычагами приложения сил натяжения прессующих ремней и сил пружины (на П-образной рамке натяжения ремней), град.;
- угол, ха рактеризующий среднее положение натяжных ремней на верхних направляю щих вальцах, град.
После выполнения подстановок и преобразований текущее фактическое значение натяжения FPi прессующих ремней в любой точке рабочей зоны хода П-образной натяжной рамки в функции от HP можно выразить в виде матема тической модели:
L H C L + L2 Р - 2 L1Р L2Р cos НРi P ДОП 1Р CP P 2P F Pi L L cos L sin arccos 3Р Б НРi ДОП L L 2 L L cos 3Р 2 Б 3Р Б 3Р НРi ДОП L - L cos sin arccos.
2Р НРi ДОП P 1Р (8) 2 L + L - 2 L L cos 2 1Р 2Р НРi ДОП P 1Р 2Р По результатам синтеза с учетом QР и ее смещения экстремума М РО f ( НР ) Э относительно М RP f (QР ) определяют P по формуле:
Э P Q P НР ДОП. (9) Используя полученные параметры можно исследовать приращение натя жения в зависимости от заданного значения в каждом положении П-образной рамки и приведенную жесткость подвески, результаты которых представлены ниже.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследо ваний» представлены программа и методика проведения эксперименталь ных исследований.
Полевые исследования и испытания проведены в Тверской области на ти пичных дерново-подзолистых почвах. Условия испытаний: тип почвы, рельеф, микрорельеф, температура, влажность воздуха и другие параметры определя лись по ГОСТ 20915-75. В основу методики исследований приняты стандарты ГОСТ 28287-89, (СТ СЭВ 6545-88), ГОСТ 20915-75. Конструктивные парамет ры машины определялись согласно ГОСТ 26025-83. Испытания проведены на со ответствие машины требованиям ТУ 23.0585773.21-95, а также на основе извест ных методик.
Технико-экономические показатели определены по результатам сравни тельных испытаний. Методика проведения полевых исследований принята в со ответствии с ГОСТ 28722-90 (92), ГОСТ 20915-75, ГОСТ 24055-88, ГОСТ 26026-83, ГОСТ 26025-83.
Замеры для определения условий испытаний проведены известными мето дами. Испытания проведены на уборке льнотресты при условиях:
рельеф ровный;
микрорельеф 1,8…3,5 см;
засоренность участка камнями 2000…15333 шт/га;
влажность почвы в слое от 0 до 10 см в пределах 15,8…25,1%;
твердость почвы в слое от 0 до 10 см в пределах 0,5…1,0 МПа;
влажность стеблей от 5,8 до 15,2%.
Уложенная вручную лента из конусов характеризовалась следующими па раметрами:
ширина ленты от 99,3 до 106,2 см;
угол отклонения стеблей в ленте до 13,5 град.;
растянутость стеблей в ленте до 1,2 раза;
мощность ленты (масса стеблей) на погонный метр до 1,8 кг/м.
Для исследования механизма натяжения заднего контура прессующих рем ней пресс – подборщика ПР-1,5 вначале была составлена информационная мо дель, затем математическая модель. Исследования проводились на ПЭВМ по специально составленной программе Sintes – ПР-1,5 в среде Microsoft Excel 2003, которая позволяет исследовать влияние каждого параметра, входя щего в математическую модель, и синтезировать рациональные характеристики механизма. Разработанная программа используется в учебном процессе и при исследовании аналогичных механизмов.
В титульном листе заложены краткие пояснения к параметрам в виде всплывающего примечания к ячейке. Задавая начальные параметры, исследова тель на экране сразу же получает рекомендуемые параметры пружинного меха низма. Одновременно исследователь визуально наблюдает полученные упругие характеристики, которые могут быть оперативно изменены в основном за счет варьирования параметрами, которые программой вычисляются и рекомендуют ся, программа предусматривает исследование механизма подвески при разных условиях.
В исследованиях использованы параметры пружины и механизма натяже ния прессующих ремней заднего контура до модернизации по заводским чер тежам, то есть реальной машины. На втором этапе проведены исследования ме ханизма с измененными параметрами.
Исследование характеристик пружин проведено на специальном стенде, а обработка результатов статистическими методами. Результаты исследований жесткости пружин показали, что она колеблется более ±25% от заданной.
В четвертой главе «Анализ результатов исследований и рекоменда ции» представлены результаты, полученные в ходе теоретических и экс периментальных исследований, а также полевых испытаний.
В пружинном механизме пресс – подборщика ПР – 1,5 использована пру жина №212 с числом рабочих витков 24 шт. по ГОСТ13772-86, жесткость пру жины составляет 3285 кгс/м, которая принята как среднее значение. С учетом допуска на изготовление ±10% минимальное значение жесткости пружины 2957 кгс/м, соответственно максимальное – 3613 кгс/м. Аналогично был иссле дован вариант механизма с пружиной №205 по ГОСТ 13772-86.
В существующем механизме натяжения прессующих ремней перепад на тяжения в рабочей зоне (разница между минимумом и максимумом) по нашим исследованиям составил более 270 кгс, так как параметры конструкции пру жинного механизма были приняты интуитивно и не рациональны.
При учете направления натяжения ремней точка экстремума функций МPО f (НР) и МRP f (QР ) (рис. 4) для синтезированного натяжного механизма со ответствует МР 386 кгс* м ( QР 114 град ), МRР 386,32кгс*м при QP 102 град., а для механизма с постоянным направлением натяжения (действие веса рабочего органа на пружинный механизм – копирующий механизм) соответственно М РО 386 кгс* м,НР 60 град или QР 114 град, М RP 386 кгс * м при QР 103град. Сте М М пень удлинения пружин для рациональных параметров в рассматриваемых ва риантах пружинных механизмов принята одинаковой.
Рисунок 4 – Характер изменения кгс*м момента сил от внешней нагрузки и сил пружины, действующих на двуплечий рычаг, кгс*м.:
– М P f (QР ) момент сил при постоянном направлении сил дей ствия на пружинный механизм Мр(рабочего органа) (рабочего органа);
290 М (пружины) – МPО f (НР) момент сил натя 270 Мро(натяжения ремня) жения ремня;
– М RP f (QР ) момент сил пру жины. Углы НР и QР изменяются 55 65 75 85 95 105 115 град синхронно и связаны по (9).
В исследованной зоне видно, что момент сил натяжения прессующих рем ней - «резко» начинает падать при 115 0 и далее (рис. 4), что не характерно для других механизмов подвески рабочих органов с постоянным направлением приложения силы к пружинному механизму.
Для механизма натяжения точка экстремума момента сил натяжения прес сующих ремней остается неподвижной и находится по положению П-образной натяжной рамки, равной QР =1140. В связи с этим интересующая нас часть мо мента сил – рабочая ветвь имеет возрастающий характер во всей рабочей зоне натяжной рамки.
Выполненный анализ результатов позволяет сделать выводы и рекомендации.
Исследования, а также анализ и синтез параметров пружинного механизма следует проводить с учетом максимального значения момента натяжения прессующих ремней и момента сил пружин.
Результаты исследований показали, что общепринятая методика и допущение о линейности приведенных упругих характеристик пружинных механизмов под вески не отражают действительность, следовательно, учет изменчивости направ ления действующих сил и особенностей механизма подвески обязателен, что по зволит получить оптимальные параметры механизма подвески.
Результаты исследований влияния положения экстремума функции момен та сил пружины относительно друг друга МPО f (НР);
М RP f (Q Р ) показывают (рис. 5), что при совмещении экстремумов перепад М МPО (НР) МRP (QP ) мо мента сил доходит до 150 кгс*м.
Максимальные значения моментов сил пружины и сил натяжения ремней во всех случаях приняты равными (рис. 5, 6, 7).
Рисунок 5 – Характер изменения кгс*м 400 при совмещении точек экстре 350 мумов функций МPО f (НР) и 300 100 М RP f (QP ) :
– МPО f (НР) момент сил натя 250 жения ремня, кгс*м;
200 – М RP f (Q P ) момент сил 150 - пружины, кгс*м;
119 град 55 71 87 103 – разница моментов сил натя жения ремней и сил пружин, Углы НР и QР изменяются синхронно кгс*м (шкала с правой стороны).
и взаимосвязаны по (9).
Анализ результатов исследования смещения экстремумов на изменение на тяжения прессующих ремней приведен при смещении экстремумов на 120 (рис.
6). Смещение проводили путем изменения угла Р.
кгс*м 400 10 кгс 375 350 25 - - 325 - 300 - 275 -5 - 250 -15 - град 115 град 55 75 95 55 75 95 а) моменты сил МPО f (НР), М RP f (Q P ) б) – перепад натяжения прессующего ремня от заданного значения, кгс.
и М РО f ( НР ) ;
Рисунок 6 – Характер изменения функций МPО f (НР), М RP f (QP ) и М РО f ( НР ) :
– момент сил натяжения ремня, кгс*м;
– момент сил пружины, кгс*м;
– М М РО f ( НP ) М RP f (QP ) (шкала с правой стороны), кгс*м.
Изменение – разницы моментов доходит от 44 кгс*м до минус 11 кгс*м (рис. 6а), т.е. максимальный перепад 55 кгс*м, как видим, рассмотренный слу чай имеет значительно меньший перепад моментов сил в сравнении с ранее рассмотренными (от 138 до 151 кгс*м). Такой результат получен значительным смещением экстремумов функций МPО f (НР) и М RP f (Q P ) друг относительно друга.
Проанализируем рис. 6б исходя из технологического процесса формирова ния рулона. В начальный период формирования усилие натяжения меньше за данной на 60 кгс, что, в принципе, позволяет легко проходить массе, прогибая ленту, по мере увеличения диаметра рулона усилие натяжения начинает возрас тать.
При рабочем угле Q Р =92 приращение натяжения принимает максималь ное значение. В этом случае усилие натяжения становится больше заданной на 12 кгс, что в сравнении с заданной составляет 3%. В конце формирования руло на при угле 1100 снижение натяжения от заданной составляет 3,7 кгс, что со ставляет менее 1% от заданной.
На основе проведенных исследований механизма натяжения были реко мендованы следующие параметры: для пружины №205 по ГОСТ 13772-86, чис ло рабочих витков 38 шт., рациональная рабочая зона рычага, присоединенного к пружине, от 55 до 1100, рычаг приложения силы пружины 0,12 м (до 0,14 м).
Результаты исследования механизма натяжения прессующих ремней за счет смещения экстремумов, подтвердили правильность теоретических предпо ложений и выбранное направление исследований. Полученные результаты ра циональных параметров механизма натяжения прессующих ремней использо ваны в ЗАО «Бежецксельмаш» при модернизации пресс-подборщика ПР-1,5.
На рис. 7 представлены результаты исследования изменения натяжения FР f ( ), определенной по (8), при ослаблении или натяжении пружины в НР i i виде графиков изменения натяжения для двух вариантов приведенной свобод ной длины пружины: Н С =0,494 м;
Н С =0,507 м (имитируется изменение натя жения ремня в реальной конструкции машины).
Перепад натяжения ремня в начале и в конце рабочей зоны формирования рулона отличается. Например, разница между 1-м и вторым вариантом при из менении приведенной свободной длины пружины всего на 13 мм доходит от FРНАЧ 50,6 кгс (в начале) до FРКОН 26,6 кгс (в конце формирования рулона).
Данная особенность отчетливо видна из рисунка по интенсивности прираще ния FР f ( НРi ), которая имеет переменный характер.
i При изменении приведенной свободной длины пружины всего на 13 мм перепад натяжения ремня () при значениях Н С 0,507 м;
Н С 0, 494 м (1-м и 2-м вариантом) доходит от FРНАЧ 50,6 кгс (в начале) до FРКОН 26,6 кгс (в конце формирования рулона). Эта особенность отчетливо видна из рис. 7 по изменению зависимости FР f ( НРi ), которая имеет переменный характер.
i На основе анализа полученных результатов исследования упругой харак теристики механизма подвески П-образной натяжной рамки установлено ранее неизвестное свойство пружинного механизма, заключающееся в том, что при ослаблении или натяжении пружин изменение натяжения ремней в рабочей зо не поворота П-образной натяжной рамки происходит неравномерно.
Рисунок 7 – Изменение зависимостей FР0i,507 м f ( НР i ) ;
FР0,494 м f ( ) и НР i i FФi f ( НРi ) FPi FPi 0, 494 0, :
0, 494 м f ( НР i ) – натяжение ремня FР i при Н С 0, 494 м, кгс;
– натяжение ремня FР0,507 м f ( ) при НР i i Н С 0,507 м, кгс;
– интенсивность приращения F Р f ( НРi ) (шкала с правой сторо i ны) натяжения прессующих ремней при разных значениях Н С, кгс.
Это свойство механизма натяжения показывает ошибочность утверждения об одинаковом изменении натяжения во всей рабочей зоне при изменении на тяжения пружины. Степень неравномерности изменения натяжения ремней в рабочей зоне зависит от положения и величины рабочей зоны, что следует учи тывать при изменении степени натяжения пружин и проектировании пружин ных механизмов.
Общий анализ представленных материалов исследований позволяет сде лать заключение, что обеспечение стабильности усилий на исполнительные устройства возможно в основном за счет изменения параметров рычага прило жения силы пружины (рис. 8, 9) и угла между рычагами двуплечего рычага П образной рамки с учетом остальных параметров, входящих в математическую модель.
Рисунок 8 – Расположение пружин ме ханизма натяжения переднего и задне го контуров прессующих ремней до модернизации, вид сбоку, справа.
По результатам синтеза рекомен дована рациональная величина угла QР от 55±3 до 110±3 град., что можно за метить на рисунках 8, 9, а рычаг при ложения силы пружины в пределах 0,12-0,15 м в зависимости от пружины.
Внесение изменений произведено установкой дополнительной пластины (ребра) к кронштейну крепления пружин. На ребро при помощи пальца шар нирно установлен новый дополнительный кронштейн для присоединения 6-ти или 4-х пружин. Кронштейн выполнен в виде площадки с шестью отверстиями для присоединения пружин и имеет возможность поворота относительно пла стины (рис. 9).
Модернизированная конструкция пресс – подборщика была изготовлена ЗАО «Бежецксельмаш» и прошла в полном объеме периодические испытания в соответствии со стандартной методикой по ОСТ 108.9-2002 в 2002 и 2003 годах в соответствии с заводскими требованиями ТУ23.05785773.21-95.
Основные результаты, полученные в ходе испытаний:
рабочая скорость – 6…8,5 км/ч (по ТУ не более 9 км/ч);
производительность – 1,0 га/ч (по ТУ не менее 0,9 га/ч);
чистота подбора – 100% (по ТУ не менее 98%);
диаметр рулона – 1,36…1,43 м (по ТУ не более 1,5 м);
ширина рулона – 1,1…1,15 м (по ТУ не более 1,15 м);
плотность рулона – 141,2…148,8 кг/м3 (по ТУ 100…120 кг/м3).
В случае уборки льнотресты в типичных условиях повышение плотности рулона до 148,8 кг/м3 не имеет отрицательных последствий для качества льна.
При дальнейшем увеличении плотности рулона по условиям переработки (льнозавода) требуется укладка шпагата между слоями прессуемой массы, что бы обеспечить разматываемость рулона.
Выполненная модернизация позволила повысить равномерность плотности формируемого рулона за счет повышения стабильности натяжения заднего кон тура прессующих ремней, также удельную плотность не менее чем на 25%.
Данное обстоятельство позволило снизить количество рулонов на 1 га уб ранной площади и повысить производительность за счет снижения времени на обмотку рулона, снизить расход шпагата, а также транспортные расходы на пе ревозку рулонов.
Результаты испытаний пресс – подборщика с улучшенными параметрами механизма натяжения заднего контура прессующих ремней ПР–1,5 подтверди ли правильность принятых допущений в математической модели и практиче ских решений в изменении конструкции, а также возможность обеспечения равномерности плотности при прессовании за счет минимальных изменений в конструкции машины.
Рисунок 9 – Общий вид пресс – подборщика ПР–1,5 с модернизиро ванным механизмом натяжения зад него контура прессующих ремней, вид сбоку, справа.
В пятой главе «Экономическая эффективность модернизации рулонного пресс – подборщика ПР-1,5» представлена экономическая оценка эффективно сти на основе результатов испытаний усовершенствованного рулонного пресс – подборщика ПР-1,5 в сравнении с базовой машиной.
Основным фактором повышения экономической эффективности использо вания модернизированного рулонного пресс-подборщика является увеличение плотности формируемых рулонов на 25-35% в сравнении с базовым вариантом, также повышение производительности до 1,0 га/ч (по ТУ не менее 0,9 га/ч) при чистоте подбора – 100% (по ТУ не менее 98%) и диаметре рулона – 1,36…1, м (по ТУ не более 1,5 м).
Как следствие изменяются значения технологических показателей: произ водительность за 1 ч основного времени на погрузочно-транспортных работах, т;
удельный расход топлива, кг/га;
расход шпагата, кг/т;
время погрузки 1 т льносырья, ч;
фактическая грузоподъемность автотранспорта.
Изменение плотности рулонов не ведет к увеличению выхода продукции, следовательно повышение уровня экономической эффективности производства за счет использования модернизированного рулонного пресс-подборщика ПР– 1,5 может быть оценено двумя показателями:
– снижение затрат на подбор, формирование рулона, погрузку и транспор тировку тонны продукции льна – долгунца в пределах хозяйства;
– окупаемость затрат на модернизацию машины в условиях хозяйства.
В условиях сельскохозяйственных предприятий при модернизации рулон ного пресс-подборщика ПР-1,5 базового варианта затраты на ее проведение мо гут составить 1750–2000 руб (в ценах 2007 года).
Таблица 2.
Экономия затрат в расчете на 1 тонну продукции, руб.
Технологические операции подбор, транспор подбор, Вид затрат Всего погрузка и формирование тировка выгрузка рулонов рулонов рулонов Стоимость шпагата 31,96 - - 31, Стоимость топлива 21,52 44,59 46,55 112, Оплата труда 0,93 6,58 7,59 15, с отчислениями Итого: 159, При вывозе тресты с поля за счет сельскохозяйственного предприятия ожидается, что затраты на модернизацию рулонного пресс- подборщика ПР-1, будут полностью покрыты при подборе и формировании рулонов в объеме 9, т тресты, т.е. срок окупаемости затрат менее одного года.
Предлагаемая модернизация рулонного пресс-подборщика ПР-1,5 в заво дских условиях не связана с дополнительными затратами и не ведет к увеличе нию стоимости машины.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Анализ требований к формированию, форме и качеству рулона, подтвер ждает перспективность исследования пресс – подборщика с переменной каме рой прессования на подборе льна – долгунца. Результаты исследований пру жинного механизма натяжения прессующих ремней показали, что при опти мизации параметров следует учитывать изменение направления действующих сил на пружинный механизм в рабочей зоне поворота натяжного устройства (рис.2).
2. Разработанные теоретические основы анализа и синтеза параметров на тяжного механизма прессующих ремней с учетом изменения направления их натяжения рекомендуется использовать при проведении исследования, анали за и синтеза пружинных механизмов с учетом точек экстремума (максимума) моментов действующих на пружинный механизм сил и их смещения относи тельно друг друга (формулы 4, 6, 7, 8, 9).
3. Для анализа упругих характеристик механизма прессующих ремней и по иска его оптимальных параметров разработан алгоритм расчета и программа для ПЭВМ. Программа для ПЭВМ Sintes–ПР-1,5 разработана на основе сис темы Microsoft Excel 2003 и позволяет в режиме диалога исследовать и опре делить оптимальные параметры механизма натяжения прессующих ремней.
4. Результатами исследования упругой характеристики механизма подвески установлено, что при ослаблении или натяжении пружин изменение натяже ния ремней в рабочей зоне поворота П-образной натяжной рамки происходит неравномерно. Степень неравномерности изменения натяжения ремней в ра бочей зоне поворота натяжной рамки зависит от положения и величины этой зоны (рис. 7), что следует учитывать при изменении степени натяжения пру жин и проектировании пружинных механизмов.
5. Исследования показали, что наиболее существенное влияние на упругие характеристики оказывают жесткость и приведенная свободная длина пружи ны, угол Р между рычагами двуплечего рычага, рычаг приложения силы пружины, рабочий угол поворота П-образной рамки, положение рабочей зоны по углу поворота рычага присоединения пружин. Установлено, что одинако вые упругие характеристики при разных значениях жесткости пружины или же других параметров механизма, входящих в математическую модель (8), можно получить за счет изменения остальных параметров, что рекомендуется учитывать при использовании пружин разной жесткости.
6. Выявлено, что для обеспечения стабильности усилий на исполнительные устройства при постоянной жесткости пружин следует изменять размеры ры чага приложения силы пружины и угол между рычагами двуплечего рычага натяжной рамки. На основе анализа потенциальных упругих характеристик пружинного механизма натяжения прессующих ремней П-образной рамкой в пресс – подборщике рекомендуется обеспечить рабочую зону поворота рыча га присоединения пружины от 55 до 110 град., рычаг приложения силы пру жины 0,12 … 0,15 м, при этом угол между рычагами двуплечего рычага ( Р ) рекомендуется определить по (9).
7. Рекомендованные рациональные параметры реализованы в модернизиро ванном ременном рулонном пресс – подборщике ПР – 1,5, что позволило обеспечить равномерность плотности формируемого рулона в направлении от сердцевины к периферии за счет повышения стабильности натяжения заднего контура прессующих ремней, а также повысить удельную плотность не менее чем на 25-35%. Основным фактором повышения эффективности использова ния модернизированного рулонного пресс-подборщика ПР–1,5 на подборе льна-долгунца является снижение затрат на 159,72 руб/т. (в расчете на тонну убранного льносырья). Хозяйственные испытания модернизированного пресс – подборщика с улучшенными параметрами механизма натяжения заднего кон тура прессующих ремней пресс – подборщика ПР–1,5, проведенные в ОПХ ФГУ Калининской государственной зональной МИС и KX «22 съезд» Торжок ского района, подтвердили правильность принятых допущений при разработке математической модели и практических решений в изменении конструкции.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Белов В.В., Белова Н.Н., Кох В.А., Зайцев С.П., Белов С.В. Усовершенство вание натяжного механизма прессующих ремней // Тракторы и сельскохозяй ственные машины. – М., 2006. – №4. – С. 43 – 45.
2. Белов В.В., Сечкин В.С., Белова Н.Н., Быстров В.М. Модернизированный рулонный пресс-подборщик // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – М., 2008. – №9. – С. 14 –15.
3. Белов В.В., Сечкин В.С., Белова Н.Н. Программа исследования пружинного механизма // Известия СПб ГАУ./ СПбГАУ, –СПб, 2008. –№9. –С.149–151.
4. Сечкин В.С., Белова Н.Н., Попова А.Л., Белов В.В., Эффективность модер низации рулонного пресс–подборщика ПР-1,5// Известия СПб ГАУ/ СПб ГАУ. –СПб, 2008. –№11. – С. 225 –227.
5. Белова Н.Н. Исследование натяжного механизма прессующих ремней пресс-подборщика ПР-1,5 // Ресурсосберегающие технологии технического сервиса. Ч.2. Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления, уп рочнения и обновления машин, механизмов и оборудования. Матер. межд. на уч.–практ. конф. 26–27 апреля 2007 //Уфа: Башкирский ГАУ,2007.– С.7–11.
6. Белов В.В., Белова Н.Н. Теоретические основы синтеза параметров меха низма натяжения прессующих ремней ПР-1,5 // Экология и с.х.т. Т.1. Общие эколог. аспекты при разработке технол. и техн. средств, используемых в с.-х.
пр-ве: Матер. 5–й научно – практ. конф. 15-16 мая 2007 г. / СПб. СЗНИИ МЭСХ, 2007. – С. 100 – 106.
7. Белов В.В., Белова Н.Н. Математическая модель натяжения прессующих ремней ПР-1,5 // Известия МААО. Вып. №6 (2008). Том 1. Механизация тех нологических процессов в АПК. – СПб, 2008. – С. 37 – 40.
8. Белов В.В., Белова Н.Н., Белов С.В. Алгоритм синтеза параметров пружин ного механизма. // Известия МААО. Вып. №6 (2008). Том 1. Механизация технологических процессов в АПК. – СПб, 2008. – С. 41 – 47.
9. Сечкин В.С., Белов В.В., Белова Н.Н. Результаты полевых исследований модернизированного рулонного пресс-подборщика ПР-1,5 // Известия МААО.
Вып. №6 (2008). Том 1. Механизация технологических процессов в АПК. – СПб, 2008. – С. 93 – 97.
10. Сечкин В.С., Белов В.В., Белова Н.Н., Попова А.Л. Повышение эффектив ности уборки льносырья // Известия МААО. Выпуск №7 (2008) том 1, «Ин форм. технологии в эксплуатации МТП АПК». – СПб, 2008. – С.154–159.