Повышение эффективности технологического процесса приготовления почвенных смесей путем обоснования конструктивно-режимных параметров погрузчика-смесителя
На правах рукописи
Везиров Александр Олегович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ СМЕСЕЙ
ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ
КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПОГРУЗЧИКА-СМЕСИТЕЛЯ
Специальность 05.20.01 –Технологии и средства
механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Саратов 2013 2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова».
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Левченко Галина Викторовна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК» ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ»
Демин Евгений Евгеньевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГНУ «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Российской академии сельскохозяйственных наук»
Худяков Владимир Васильевич
Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сель скохозяйственная академия».
Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального обра зования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Ва вилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сара товский ГАУ».
Отзывы на автореферат направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1.
E-mail: [email protected].
Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Василий Васильевич Чекмарев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Производство овощей в теплицах явля ется эффективным способом снабжения населения свежей продукцией в течение всего года независимо от погодных условий. Помимо овощей в теплицах выращи вают цветы, рассаду и другие виды продукции растениеводства. В настоящее время площадь закрытого грунта в России составляет около 2,9 тыс. га. Всего в закрытом грунте выращивают 12 % огурцов и томатов, производимых в России. К 2020 г.
планируется производство овощей закрытого грунта увеличить в 3,5 раза.
Однако выращивание продукции в закрытом грунте требует большого объема работ с почвой, подготовка которой является очень важной операцией в технологическом процессе тепличного производства. От нее во многом зависит будущая урожайность выращиваемых культур. Почва для теплиц представляет собой смесь нескольких компонентов: торфа, навоза, чернозема, песка, опилок, минеральных удобрений и др. Эти компоненты должны быть хорошо переме шаны и распределены по площади теплицы.
В настоящее время специальных машин для работы с почвой в теплицах серийно практически не выпускается. Для этого приспосабливают машины дру гого назначения, например выгрузчик МВС-4, погрузчик ПНД-250. Однако эти машины не обеспечивают необходимого качества смешивания, поэтому дово дить почву до требуемого состояния приходится с использованием ручного труда. Это приводит к росту затрат на приготовление почвенной смеси и на производство продукции в целом. Таким образом, разработка и обоснование параметров погрузчика-смесителя для приготовления почвенной смеси в теп лицах, позволяющего полностью механизировать данный процесс, повысить производительность и снизить себестоимость готовой продукции, являются ак туальными направлениями исследований.
Степень разработанности темы. Разработан ряд конструктивно-тех нологических схем погрузчиков-смесителей, изучено взаимодействие их рабочих органов с органическими удобрениями. Однако погрузчики-смесители органиче ских удобрений не в полной мере соответствуют условиям работы в теплицах и не позволяют готовить качественную почвенную смесь, соответствующую агротехни ческим требованиям для использования в теплицах. Исследований процесса сме шивания, направленных на обоснование параметров мобильных погрузчиков смесителей почвы для теплиц, в настоящее время недостаточно.
Цель работы – повышение производительности и качества приготовления почвенных смесей для теплиц путем обоснования конструктивно-режимных параметров погрузчика-смесителя.
Задачи исследования:
провести анализ существующих технологических схем и технических средств для приготовления почвенных смесей и определить причины их недо статочной эффективности;
обосновать конструктивно-технологическую схему погрузчика-смесителя с рабочим органом, обеспечивающим повышение производительности и каче ства приготовления почвенных смесей;
теоретически исследовать процессы взаимодействия рабочего органа с компонентами почвенной смеси и получить аналитические выражения для определения производительности и конструктивно-режимных параметров;
получить экспериментальные зависимости и описывающие их вероятност но-статистические модели производительности, качества смешивания и техно логических параметров почвенной смеси от конструктивных и режимных пара метров для компонентов с различными физико-механическими свойствами;
провести производственные испытания погрузчика-смесителя и дать тех нико-экономическую оценку эффективности его использования.
Объект исследования – технологический процесс смешивания компонен тов и погрузки почвенной смеси для теплиц.
Предмет исследования – закономерности изменения производительности, качества смешивания компонентов почвенной смеси, ее воздухоемкости и вла гоемкости от конструктивных и режимных параметров рабочего органа погруз чика-смесителя.
Научная новизна работы заключается в обосновании конструктивно технологической схемы погрузчика-смесителя, его рабочего органа и исследовании технологического процесса смешивания и погрузки почвенной смеси;
получении аналитических и экспериментальных зависимостей производительности и качества смешивания;
теоретическом и экспериментальном обосновании оптимальных ре жимных и конструктивных параметров предлагаемого погрузчика-смесителя.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в теорети ческом и экспериментальном обосновании конструктивных и режимных пара метров, результаты которого приняты за основу при создании опытного образ ца погрузчика-смесителя со шнекофрезерным рабочим органом. Предлагаемый погрузчик-смеситель применяли при приготовлении почвенных смесей в ОАО «Совхоз – Весна» Саратовского района Саратовской области. Полученные ре зультаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организа циями при определении параметров погрузчика-смесителя для различных усло вий на стадии проектирования.
Методология исследований основана на методах системного анализа и включает в себя теоретическую и экспериментальную составляющие. Теорети ческие исследования проводили на основе математического анализа с исполь зованием положений классической и прикладной механики. Эксперименталь ные исследования проводили в производственных условиях тепличного хозяй ства с использованием теории планирования многофакторного эксперимента и математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы по грузчика-смесителя со шнекофрезерным рабочим органом;
- аналитические и регрессионные выражения, описывающие влияние ос новных конструктивных и режимных параметров на производительность и ка чество смешивания;
- результаты теоретической и экспериментальной оптимизации конструк тивных и режимных параметров.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения работы были доложены на конференциях профессорско-преподавательского со става по итогам научно-исследовательской работы ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (Саратов, 2008–2012);
на Международной научно-практической конферен ции, посвященной 70-летию профессора В.Ф. Дубинина (Саратов, СГАУ, 2010);
на Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Иннова ции и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2010);
на Международном научно-техническом семинаре им. В.В. Михайлова «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (Саратов, СГАУ, 2012);
на Международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения про фессора В.В. Красникова «Новые технологии и технические средства в АПК»
(Саратов, СГАУ, 2013). Проект «Погрузчик-смеситель тепличного субстрата» был представлен в 2011 году на VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и ин вестиций и награжден бронзовой медалью и дипломом третьей степени. Результа ты теоретических и экспериментальных исследований показали требуемую схо димость. Разработанный погрузчик-смеситель для приготовления почвенных сме сей прошел производственную проверку в ОАО «Совхоз – Весна» Саратовского района Саратовской области.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на по лезную модель. Объем публикаций составил 1,7 печ. л., из которых 0,9 печ. л.
принадлежат лично соискателю.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем – 131 страни ца машинописного текста и 7 приложений. Основной текст изложен на страницах, содержит 6 таблиц и 43 рисунка. Список литературы включает в се бя 131 наименование.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные науч ные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» на ос новании анализа существующих исследований, литературных источников и производственного опыта установлено, что наряду с выращиванием овощей гидропонным способом в тепличном производстве остается широко распро страненным традиционный способ выращивания – в защищенном грунте. При готовление грунта или почвенной смеси для теплиц является трудоемкой и за тратной операцией. Мобильные погрузчики-смесители имеют существенные преимущества, однако исследований с целью обоснования их рабочих органов для теплиц не достаточно. Вследствие этого применяемые погрузчики имеют параметры, не соответствующие эффективным значениям.
Значительное количество работ посвящено изучению теории работы по грузчиков органических удобрений. К ним относятся работы А.А. Артюшина, Н.М. Марченко, А.А. Ковалева, Н.Г. Ковалева, И.И. Лукьяненкова, Г.И. Личма на, Н.К. Линника, Н.В. Павлова, В.Ф. Дубинина, П.И. Павлова, Е.Е. Демина, Р.Р. Хакимзянова, Г.В. Левченко, Н.В. Хитровой, Л.В. Гвоздевой и др.
Анализ технологического процесса производства сельскохозяйственной продукции в условиях защищенного грунта показал, что для механизации ос новных процессов используют в основном технические средства открытого грунта. Для приготовления почвенных смесей применяют погрузчики органи ческих удобрений. Однако качественные показатели получаемых смесей не всегда соответствуют агротехническим требованиям. Данные погрузчики пред назначены для работы с большими объемами органических удобрений в усло виях крупных хозяйств. Поэтому основные исследования были направлены на получение высокой производительности и на снижение энергоемкости. Про цесс смешивания и качественные показатели исследованы в меньшей степени.
Рабочие органы, эффективные для погрузки навоза могут быть не достаточно эффективными при приготовлении почвенных смесей.
Во второй главе «Теоретическое исследование процесса смешивания компонентов и погрузки почвенной смеси погрузчиком-смесителем» на осно вании анализа научных и теоретических исследований представлена разрабо танная конструктивно-технологическая схема погрузчика-смесителя со шнеко вым рабочим органом.
Погрузчик-смеситель (патент на № 119337) почвенной смеси состоит из базового трактора 1 (рисунок 1) и шнекового рабочего органа 2, приводимого во вращение от вала отбора мощности трактора через цепную передачу и кони ческий редуктор. В состав погрузчика также входит отгрузочный ленточно планчатый транспортер 3, приводимый в движение гидромотором и цепной пе редачей. Элементы погрузчика соединены общей рамой 4.
Рисунок 1 – Схема погрузчика-смесителя: 1 – базовый трактор;
2 – шнекофрезерный рабочий орган;
3 – отгрузочный ленточно-планчатый транспортер;
4 – общая рама;
5 – опорное колесо Захват и перемешивание почвенных компонентов погрузчик-смеситель выполняет шнековым рабочим органом (патент на полезную модель № 117906) оснащенным зубьями с режущими поверхностями специальной формы (рису нок 2). Зубья отделяют части компонентов от основного массива и измельчают.
Рисунок 2 – Шнековый рабочий орган: 1, 8 – цапфы;
2 – вал;
3, 9 – лопасть;
4 – пруток;
5 – зуб со стойкой;
6 – штифт;
7 – основание Исходя из требуемой производительности погрузчика-смесителя 120… т/ч обоснован диаметр шнека D = 0,8 м. Ширина захвата определена из условий работы в теплицах, ширины бурта и теплицы и составила В = 1,8 м. Величина угла наклона винтовой поверхности шнека принята 40°.
Взаимодействие рабочего органа с компонентами почвенной смеси начи нается с внедрения режущей кромки зубьев (рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема сил при внедрении зуба рабочего органа в почву Усилие на зубе F з, Н:
Fз = Rр sin( тр + ) = р bВ sin( тр + ), (1) 2 где R p – реакция;
тр – угол трения почвенного компонента по стали;
– угол при вершине зуба;
р – напряжение резания;
b – толщина режущей кромки, мм;
B – ширина зуба, мм.
Суммарное усилие F з, Н, резания всеми зубьями в момент времени t :
Fз = zt p bВ sin( тр + ), (2) где zt – число зубьев в массиве груза в момент времени t.
Качество смешивания зависит от степени крошения компонентов почвы.
При высокой степени крошения компоненты при движении взаимно проникают и смешиваются между собой. Влияние параметров зуба на качество смешива ния связано с траекторией движения частиц по поверхности зуба после отделе ния. Траектория в свою очередь определяется формой зубьев. Исследовали плоскую форму зубьев с углом к радиусу 90°. В этом случае отделяемый мате риал скользит по поверхности зуба. При плоской форме зуба с углом наклона менее 90° траектория движения имеет вид ломаной линии. Наилучшее кроше ние достигается при криволинейной форме зубьев. В этом случае площадь вза имодействия зуба с отделяемым компонентом значительно больше, соответ ственно больше усилие, передаваемое на материал. При движении материала по криволинейной поверхности происходит постоянное воздействие зуба, что обу словливает высокую степень крошения и смешивания.
Суммарная сила F, действующая со стороны зуба при внедрении в мас сив:
gmf + сж А з, = p Bb + k f F =F к + F тр + Fз (3) где Fк – усилие на режущей кромке зуба, Н;
Fтр – сила трения по поверхно сти зуба, Н;
kf – коэффициент, учитывающий влияние положения зуба;
g – ускорение свободного падения;
m – масса отделяемого компонента смеси, кг;
f – коэффициент трения почвенного компонента по стали;
сж – напря жение сжатия при разрушении отделяемого компонента почвенной смеси, Па;
А з – площадь поверхности зуба, м2.
В результате анализа напряженного состояния и деформации отделяемой стружки установлены значения: радиуса кривизны зуба Rз, которое составило 0, радиуса рабочего органа;
угла при вершине зуба = 110°;
угла заточки = 60°.
Производительность Q погрузчика-смесителя определили как массу m (кг) почвенной смеси, отгруженной в единицу времени t (с):
Q = m/t. (4) Масса почвенной смеси m может быть определена исходя из плотности и объема отделенных компонентов. Если в смеси n компонентов, то ее масса:
m = (1V1 + 2V2 +.... + nVn ), (5) где V 1, V 2,… V n – отделяемый объем 1-го, 2-го … n-го компонента, м3:
V = Вз Ао;
(6) 1, 2, … n – плотность 1-го, 2-го … n-го компонента, кг/м3.
В процессе работы рабочий орган совершает вращательное движение во круг своей оси и поступательное движение вместе с погрузчиком. В результате суммы этих движений каждая точка описывает циклоидальную кривую в двух мерной системе координат. Ось X проходит через ось рабочего органа погруз чика горизонтально в направлении его движения (рисунок 4). Угол вращения для удобства расчетов отсчитывается от оси Y по часовой стрелке. При таком выборе системы координат траектория перемещения зуба рабочего органа по грузчика может быть описана системой параметрических уравнений:
x = R sin t + vt;
(7) y = R(1 + cos t ), где v – скорость движения погрузчика, м/с;
– угловая скорость вращения рабочего органа погрузчика, рад/с;
R – радиус рабочего органа по режущим зубьям, м.
а б Рисунок 4 – Схемы взаимодействия рабочего органа с компонентами почвы:
а – технологическая;
б – кинематическая Площадь А i поперечного сечения среза i-го слоя вычисляется по формуле:
Ai = S i S Pi, (8) где S i – величина определенного интеграла для фигуры, образуемой дугой – траекторией движения i-го зуба;
S Pi – величина определенного интеграла для дуги – траектории второго зуба, отстоящего от i-го на /4.
Определенный интеграл для S i имеет вид:
ti +1 ti + S i = x(t ) dt = ( R sin t + vt )( R sin t )dt = dy dt t ti i ti +1 ti + R sin tdt Rvt sin tdt.
2 (9) ti ti Проинтегрируем выражение (9), получим площадь i-й фигуры:
R 2 R 2 ti + Rv S i = t+ sin 2t + Rvt cos t sin t (10) 2 4 ti Находя значения тригонометрических функций в моменты времени, когда зуб погрузчика достигает точек соответствующих верхним слоям, и подставляя их в формулу (10), получим:
v( y R ) R 2 arccos yi +1 R + yi +1 R v 2 yi +1R yi2+ Si = i +1 R v( y R ) R 2 y R yi R v arccos i – i + 2 yi R yi2.
(11) R Траекторию перемещения следующего зуба, отстоящего от предыдущего на величину дуги, равную /4, можно описать уравнениями:
x P (t ) = R sin (t ) + v t + ;
(12) y = R(1 + cos t );
P ti +1 ti + = x P (t ) dt = R sin t + v t + ( R sin t )dt = dy S Pi ti dt ti v( yi +1 R ) R 2 arccos yi +1 R + yi +1 R v 2 yi +1R yi2 + v ( yi +1 R ) = R v( yi R ) R 2 y R yi R v v arccos i ( yi R ) (13) – + 2 yi R yi21 + R Разность между интегралами S i и S Pi равна площади поперечного сечения среза i-го слоя:
v( yi +1 yi ) Ai = S i S Pi =. (14) Тогда с учетом выражения (14) объем отделяемого послойно уложенного компонента почвы:
V( yi +1 yi ) V = Вз. (15) Выражение (5) для определения массы почвенной смеси, состоящей из n компонентов, примет вид:
( ) v y 2 y1 v( y3 y 2 ) m = (1V1 + 2V2 +.... + nVn ) = 1 Вз + 2 Вз +...
2 v( y n +1 y n ) + n Bз. (16) Производительность погрузчика для смеси, состоящей из n компонентов при количестве зубьев z, одновременно выполняющих отделение и с учетом ко эффициента их влияния K z :
( ) v y 2 y1 v( y3 y 2 ) Qn = (1V1 + 2V2 +.... + nVn ) / t = (1 Вз + 2 Вз +...
2 v( y n +1 y n ) + n Bз (17) ) zK z / t, где t – время прохождения зуба через все n компонентов почвенной смеси.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований»
изложены программа и методика исследований и производственных испытаний, дано описание объектов исследований и экспериментального образца предлагае мого погрузчика-смесителя (рисунок 5).
Рисунок 5 – Общий вид погрузчика-смесителя почвы для теплиц В ходе исследований установлены физико-механические свойства компо нентов и получаемых почвенных смесей: влажность, плотность, коэффициент трения, сопротивление деформациям (сжатию и сдвигу). Кроме физико механических большое значение имеют технологические свойства, определя ющие качество приготовленных смесей. Основные из них – качество смешива ния компонентов, характеризуемое коэффициентом качества смешивания К;
влагоемкость, воздухоемкость. Коэффициент качества смешивания К показыва ет количественное содержание «ключевого компонента» в различных точках готовой почвенной смеси по отношению к его возможному содержанию при теоретическом распределении.
В соответствии с задачами, поставленными в работе и теоретическими раз работками, программа исследований включала в себя серию двух- и однофак торных экспериментов. В ходе двухфакторного эксперимента изучали влияние на критерии оптимизации конструктивных и режимных параметров: частоты вращения шнекового рабочего органа и количества зубьев. В однофакторном эксперименте исследовали влияние формы зубьев. Были изучены три формы зубьев: плоская с углом наклона к оси стойки (радиусу рабочего органа) 90°;
плоская с углом наклона 70°;
криволинейная в виде сектора цилиндрической поверхности с радиусом кривизны, равным 0,2 радиуса рабочего органа. Форму зубьев задавали их сменой в основаниях рабочего органа.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» пред ставлены результаты исследований физико-механических свойств компонен тов и почвенных смесей, приготовленных с помощью предлагаемого погрузчи ка-смеситель: торфа, навоза, минеральных удобрений, чернозема, песка, опи лок;
приведены результаты экспериментальных исследований.
Большое влияние на производительность и качество смешивания оказыва ют конструктивные параметры и форма режущих зубьев. Результаты исследо ваний формы зубьев представлены в виде диаграмм на рисунках 6 и 7.
Рисунок 6 – Производительность погрузчика-смесителя с различной формой зубьев рабочего органа: а – плоская с углом наклона к оси стойки (радиусу рабочего органа) 90°;
б – криволинейная в виде сектора цилиндрической поверхности;
в – плоская с углом наклона к оси стойки 70° К 0, 0, a 0, б в 0, Форма зубьев Рисунок 7 – Коэффициент степени смешивания для различной формы зубьев На диаграмме 6 отражена производительность погрузчика-смесителя при различной форме зубьев. Производительность погрузчика с зубьями плоской формы (см. рис. 6, а) несколько больше, чем при оснащении его зубьями другой формы (см. рис. 6, б, в), поскольку плоская форма зубьев обеспечивает мень ший рабочий зазор между наружной кромкой шнека и кожухом. Однако наибольшая степень смешивания компонентов почвы достигается при криво линейной форме зубьев в виде сектора цилиндрической поверхности. Такая форма наряду с отделением частей компонентов от массива обеспечивает их крошение и смешивание до вступления в работу винтовой поверхности шнеков.
Величина коэффициента смешивания компонентов смеси составила 0,96–0,98, что соответствует агротехническим требованиям (0,9–0,95).
Экспериментальные исследования позволили установить влияние наиболее значимых факторов: частоты вращения рабочего органа n и количества зубьев z на нем на производительность погрузчика-смесителя, коэффициент смешива ния, влагоемкость и воздухоемкость почвенной смеси.
Уравнение регрессии в раскодированном виде, описывающее характер из менения производительности при изменении указанных параметров имеет вид:
Q = 0,303363A – 0,00057287A2 + 0,25694B – 0,0087963B2 – 4,59939. (18) Графически данная зависимость представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 – Зависимость производительности смесителя-погрузчика от частоты вращения шнековой фрезы n, мин–1 (фактор А) и количества зубьев z (фактор В) при скорости подачи 0,05 м/с Полученное уравнение (18) и соответствующая ему трехмерная поверх ность показывают наличие экстремума по обоим исследуемым факторам. С ро стом частоты вращения производительность сначала увеличивается. Затем при частоте вращения 290…310 мин–1 достигает максимума, а при увеличении ча стоты вращения более 310 мин–1 начинает снижаться. Зависимость производи тельности от количества зубьев также имеет нелинейный характер.
Зубья способствуют отделению и захвату частей смешиваемых компонен тов, поэтому максимальная производительность наблюдается при наибольшем количестве зубьев, работающих без перекрытия. Для данного рабочего органа с шириной захвата 1,8 м оптимальное количество зубьев z = 22..24. Производи тельность при этом составила 39,2 кг/c.
Также в результате проведенных экспериментальных исследований и об работки опытных данных получена зависимость коэффициента степени смеши вания от частоты вращения и количества зубьев, которая описывается уравне нием регрессии:
K = 0,005398A –1,03322E – 05A2 + 0,010753268B – – 0,0002269B2 + 0,152166097. (19) Зависимость (19) в графическом виде представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Зависимость коэффициента смешивания К от факторов А и В при скорости подачи 0,05 м/с Наилучшее качество смешивания обеспечивается при максимальном коли честве зубьев, работающих без перекрытия зон резания. При дальнейшем уве личении количества зубьев оно почти не меняется. Без оснащения рабочего ор гана зубьями при частоте вращения 219 мин–1 К = 0,851;
при z = 24 и той же ча стоте вращения – К = 0,954.
Для предлагаемого шнека максимальное количество зубьев z max = 24. Объ ясняется это тем, что зубья при работе выполняют основную функцию отделе ния и измельчения компонентов. Хорошо измельченные компоненты лучше пе ремешиваются зубьями и шнеком. Аналогично изменяется качество смешива ния при изменении частоты вращения. При увеличении частоты вращения шне ка коэффициент качества смешивания сначала растет, достигает максимального значения при n = 280…300 мин–1, а затем начинает снижаться. Рост степени смешивания при увеличении частоты вращения с 150 до 260 мин–1 объясняется улучшением отделения и измельчения компонентов почвы. Однако при боль шой частоте вращения (более 320 мин–1) процесс смешивания нарушается, ко эффициент степени смешивания уменьшается.
В результате экспериментальных исследований получены зависимости влаго емкости и воздухоемкости почвенной смеси от частоты вращения количества зувь ев. При частоте вращения рабочего органа и количестве зубьев, соответствующих максимальной производительности и наилучшему качеству смешивания, значения этих показателей также соответствуют требованиям, предъявляемым к почвенным смесям для теплиц (воздухоемкость – 25 %, влагоемкость – 40 %).
Проведена оценка сходимости теоретических и полученных эксперимен тальных зависимостей (рис. 10). Расхождения не превышают 5 %.
Рисунок 10 – Сходимость теоретической и экспериментальной зависимостей производительности от частоты вращения шнекового рабочего органа при числе зубьев z = 24 ( графики 1 и 2) и z = 9 (графики 3 и 4) В пятой главе «Технико-экономическая эффективность» представлена оценка экономической эффективности использования погрузчика-смесителя почвы для теплиц, оснащенного шнековым рабочим органом, по сравнению с погрузчиком непрерывного действия ПНД-250 с учетом необходимости дове дения почвенной смеси до соответствия агротехническим требованиям.
Годовой экономический эффект за счет увеличения производительности труда составил 78,624 тыс. руб. в ценах на 01.09.2013.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основании анализа существующих погрузчиков-смесителей и тех нологических схем их использования разработана конструктивно технологическая схема погрузчика-смесителя, теоретическими и эксперимен тальными исследованиями обоснованы конструктивно-режимные параметры его рабочего органа, благодаря чему решена важная научная и практическая за дача достижения повышения производительности труда при приготовлении почвенной смеси для теплиц и ее качественных показателей.
2. Предложена конструктивно-технологическая схема погрузчика смесителя (патент на полезную модель № 119337) для приготовления почвен ных смесей со шнековым рабочим органом (патент на полезную модель № 117906), оснащенным зубьями с режущими поверхностями специальной фор мы. Процессы погрузки и смешивания совмещаются, шнекофрезерный рабочий орган обеспечивает отделение частей компонентов от основного массива, их крошение и последующее перемешивание.
3. В результате теоретических исследований получены аналитические выра жения и установлено влияние конструктивных и режимных параметров на показа тели эффективности технологического процесса и производительность смешивания и погрузки. Для обеспечения требуемого качества смешивания шнековый рабочий орган должен быть оснащен зубьями криволинейной формы, установленными по ширине захвата без перекрытия, угол при вершине = 110°, угол заточки = 60°, радиус кривизны Rз составляет 0,2 радиуса рабочего органа.
4. Получены экспериментальные зависимости и описывающие их вероят ностно-статистические модели производительности, качества смешивания и технологических параметров почвенной смеси от конструктивных и режимных параметров для компонентов с различными физико-механическими свойствами.
Установлено, что зависимость производительности от частоты вращения рабо чего органа и от количества зубьев носит нелинейный характер, описываемый уравнением регрессии второго порядка. Наибольшая производительность до стигается при частоте вращения n = 294 мин–1 и числе зубьев z = 24, что соот ветствует их сплошной установке по ширине захвата без перекрытия. Экспери ментально подтверждена наиболее эффективная для процесса смешивания форма зубьев в виде сектора цилиндрической поверхности.
5. При частоте вращения рабочего органа и количестве зубьев, обеспечи вающих максимальную производительность и высокое качество смешивания, воздухоемкость и влагоемкость смеси также соответствуют требованиям, предъявляемым к почвенным смесям для теплиц. Коэффициент качества сме шивания составил 0,96–0,98;
воздухоемкость – 25 %;
влагоемкость – 40 %. Для шнекового рабочего органа диаметром 0,8 м погрузчика-смесителя почвы для теплиц рекомендуются следующие параметры: частота вращения n = 290… мин–1, количество зубьев z = 24. Они способствуют эффективному отделению компонентов без перекрытия зон резания.
6. Годовой экономический эффект при использовании погрузчика смесителя при подготовке почвенной смеси для теплиц составляет 78,624 тыс.
руб. в ценах на 01.09.2013, срок окупаемости дополнительных капиталовложе ний – 1,9 года.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ 1. Павлов, П.И. Результаты исследований погрузчика-смесителя почвы для теп лиц [Текст] / П.И. Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Вестник Саратовского гос агроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – 2013. – № 8. – С. 62–64.
2. Везиров, А.О. Экспериментальное исследование рабочих органов погрузчи ка-смесителя почвы для теплиц [Текст] / А.О. Везиров // Научное обозрение. – 2013. – № 8. – С. 24–27.
3. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель почвы для теплиц [Текст] / П.И. Павлов, С.Л. Медведев, А.О. Везиров // Сельский механизатор. – 2013. – № 9. – С. 40.
Публикации в других изданиях 4. Левченко, Г.В. Физико-механические свойства насыпных грунтов, использу емых в тепличном овощеводстве [Текст] / Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Матер.
Межднар. науч.-прак. конф., посвящ. 70-летию со дня рожд. проф. В.Ф. Дубинина. – Саратов, 2010. – С.111–113.
5. Левченко, Г.В. Классификация погрузчиков-смесителей [Текст] / Г.В. Лев ченко, А.О. Везиров // Матер. Межднар. науч.-прак. конф., посвящ. 70-летию со дня рожд. проф. В.Ф. Дубинина. – Саратов, 2010. – С. 113–116.
6. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель для тепличного субстрата [Текст] / П.И.
Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: матер. Всерос. науч.-практ. конф. молодых учёных. – Саратов, 2010. – Т.
2. – С. 91–92.
7. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель для тепличного субстрата [Текст] / П.И.
Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Cб. работ VI Саратовского салона изобрете ний, инноваций и инвестиций. – Саратов, 2011. – Ч. 1. – С. 165–166.
8. Левченко, Г.В. Физические свойства тепличных субстратов [Текст] / Г.В.
Левченко, А.О. Везиров // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники: матер. Междунар. науч.-техн. семинара им. В.В. Михайлова. – Саратов, 2012. – С. 147–149.
9. Павлов, П.И. Погрузчик-смеситель для тепличного овощеводства [Текст] / П.И. Павлов, Г.В. Левченко, А.О. Везиров // Новые технологии и технические сред ства в АПК: Междунар. конф., посвящ. 105-летию со дня рожд. проф. В.В. Краснико ва. – Саратов, 2013. – С. 141–143.
10. Пат. № 117906 Российская Федерация, МПК B 65 G 67/24, B 65 G 65/22. Ра бочий орган погрузчика-смесителя / Павлов П.И., Левченко Г.В., Везиров А.О., Дзю бан И.Л.;
заявитель и патентообладатель Саратовский ГАУ. – № 2012108283/11;
за явл. 05.03.2012;
опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19.
11. Пат. № 119337 Российская Федерация, МПК B 65 G 65/22, А 01 С 3/04. По грузчик-смеситель органоминерального компоста / Везиров А.О., Дзюбан И.Л., Пав лов П.И.;
заявитель и патентообладатель Саратовский ГАУ. – № 2012114293/11;
за явл. 11.04.2012;
опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.
Подписано в печать 25.11.13 Формат 6084 1/ Печ. л. 1,0 Тираж 100 Заказ 286/ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»
410012, Саратов, Театральная пл.,