Совершенствование технологических процессов и технических средств погрузки навоза

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

совершенствование технологических процессов и технических средств погрузки навоза

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Дёмин Евгений Евгеньевич

Саратов - 2007

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Павлов Павел Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Дементьев Александр Иванович

ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

доктор технических наук, профессор

Артемьев Владимир Григорьевич

ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА»

доктор технических наук, профессор

Капустин Василий Петрович

ФГОУ ВПО «Тамбовский ГТУ»

Ведущая организация - Государственное научное учреждение «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока» (г. Саратов)

Защита состоится 9 ноября 2007 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, д. 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «__» октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим источником восстановления и улучшения плодородия почвы является навоз. В настоящее время количество вносимого на поля навоза в несколько раз меньше требуемых норм, а вынос питательных веществ из почвы продолжается. Это приводит к истощению почв, которое может стать необратимым. Существующие технологии накопления, переработки и внесения навоза очень энергоемки. В большинстве случаев это связано с недостаточной эффективностью используемых технических средств. Все технологии накопления и внесения навоза предусматривают погрузку в транспортные средства, навозоразбрасыватели, при этом погрузка осуществляется два раза и более и может составлять до 40 % от общей трудоемкости работ.

При значительном количестве производимых промышленностью погрузчиков их энергоемкость на погрузке навоза является наибольшей в технологическом процессе накопления и внесения на поля. Такое положение приводит к росту себестоимости навоза как органического удобрения и срыву агротехнических сроков его внесения. Это в свою очередь приводит к снижению урожайности, недобору сельхозпродукции и большим затратам на ее производство. Поэтому создание технологии с использованием высокопроизводительных погрузчиков, разработка и обоснование энергосберегающих и экономичных рабочих органов к ним является важнейшей научной проблемой, требующей решения.

Исследования проводились в СГАУ в 1985-2007 гг. в соответствии с Федеральной программой «Техника для продовольствия России на 2000-2006 гг.», научное направление «Механика и процессы агроинженерных систем»; планом развития Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9 «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 840005200); комплексной темой № 4 НИР Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова «Разработка технического обеспечения аграрных технологий», раздел № 5 «Обоснование процессов и средств погрузки для аграрных технологий».

Цель работы. Повышение эффективности погрузчиков навоза путем совершенствования технологического процесса и оптимизации параметров и режимов работы новых ресурсосберегающих рабочих органов.

Объект исследований. Технологический процесс погрузки навоза, процессы взаимодействия рабочих органов погрузчиков с навозом.

Предмет исследований. Взаимосвязь параметров погрузчиков и их рабочих органов с силовыми и качественными критериями оценки их эффективности: производительностью, потребляемой мощностью и энергоемкостью.

Методы исследований. Методическую основу исследований составляли: логика научных исследований, метод системных исследований, теория планирования эксперимента, методы физического и математического моделирования, математического анализа. Разработаны частные методики лабораторно-полевых исследований и производственных испытаний рабочих органов погрузчиков навоза.

Научная новизна:

- математическое описание движения рабочих органов погрузчиков в технологическом процессе погрузки навоза и их взаимодействия с навозом, учитывающее физико-механические свойства навоза, способ воздействия и характер движения, конструктивные и режимные параметры;

- закономерности изменения силовых и качественных критериев оптимизации в зависимости от конструктивных параметров рабочих органов погрузчиков, режимов их работы и физико-механических свойств навоза;

- теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальных конструктивных и режимных параметров рабочих органов погрузчиков предлагаемых конструктивно-технологических схем.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют решить важную проблему ресурсосбережения при высокопроизводительной погрузке навоза и обосновать конструктивные и режимные параметры рабочих органов погрузочных систем для наиболее распространенных типов тракторов - «Кировец», МТЗ, ДТ и специального шасси.

Применение результатов исследований обеспечивает сокращение при погрузке приведенных затрат на 10,6…42,3 %, энергоемкости на 8…34 %.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математические модели, определяющие влияние комплекса эксплуатационных, конструктивных, режимных факторов и физико-механических свойств навоза на усилия взаимодействия, производительность, потребляемую мощность и энергоемкость погрузки;

- теоретическое обоснование конструктивно-технологических схем погрузчиков;

- экспериментальные зависимости и уравнения регрессии, позволяющие определять величину производительности, мощности и энергоемкости при различных значениях конструктивно-режимных параметров и физико-механических свойств навоза;

- результаты теоретической и экспериментальной оптимизации параметров.

Реализация результатов исследований. Разработанные и исследованные погрузчики навоза внедрены в ряде хозяйств Саратовской, Тамбовской и Волгоградской областей. Результаты исследований одобрены и приняты к использованию ОАО «Уралвагонзавод» для разработки погрузчиков к перспективным тракторам.

Материалы исследований использованы в рекомендованных Министерством сельского хозяйства РФ для студентов вузов по агроинженерным специальностям учебнике «Проектирование и расчет подъемно-транспортирующих машин сельскохозяйственного назначения», выпущенном издательством «Колос», учебных пособиях «Гидропривод сельскохозяйственных погрузочных и транспортных машин» и «Подъемно-транспортные машины в сельском хозяйстве».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской работы за 1985-2006 гг. Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова; на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Основные направления развития механизации погрузочно-разгрузочных работ и создание высокопроизводительных погрузочных машин, предназначенных для работы с уборочными машинами и линиями послеуборочной обработки сельскохозяйственных культур» (Москва, 1985); на Всесоюзной научно-практической конференции «Интенсификация сельскохозяйственного производства в условиях радикальной экономической реформы» (Сумы, 1989); на конференции, посвященной 118-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Саратов, 2005); на XVI региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники» (Пенза, 2005); на 8-й Международной научно-практической конференции в ВИМе «Машинно-технологическое обеспечение повышения производительности труда в растениеводстве и животноводстве» (Москва, 2006); на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения В.Г. Кобы (Саратов, СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2006).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 42 работы, в том числе 1 учебник и 1 учебное пособие с грифом МСХ РФ, 1 учебное пособие с грифом Министерства образования СССР, 6 статей по «Перечню ВАК». Общий объем публикаций составляет 61,7 печ. л., из них лично соискателю принадлежит 15,1 печ. л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературных источников, включающего 326 наименований, из них 10 на иностранных языках, 28 приложений. Общий объем составляет 480 страниц машинописного текста, который включает 29 таблиц и 149 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, ее практическая значимость, цель исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы. Цель и задачи исследований» приведен анализ состояния технологических процессов накопления, погрузки и внесения навоза, систематизированы сведения по физико-механическим свойствам навоза. Проведен анализ существующих погрузчиков навоза, их конструктивно-технологических схем, технико-экономических показателей и ранее выполненных исследований рабочих органов.

Исследованиям рабочих органов погрузчиков навоза, а также влиянию на них физико-механических свойств навоза посвящены исследования: Артюшина А.А., Варламова Г.П., Марченко Н.М., Ковалева А.А., Ковалева Н.Г., Лукьяненкова И.И., Капустина В.П., Васильева В.А., Высоцкого Л.И., Личмана Г.И., Линника Н.К., Павлова Н.В., Красникова В.В., Веракши П.Г., Волкова Ю.И., Гайнанова Х.С., Савченко Ю.А., Стильве А.О., Пажера В.И., Павлова П.И. и др.

Корреляционным анализом определены закономерности, связывающие основные технико-экономические показатели существующих погрузчиков, и установлены основные влияющие на них факторы. Определены показатели эффективности, к которым необходимо стремиться при создании новых погрузчиков навоза. К основным удельным показателям относятся: энергоемкость погрузочных средств P/Q, Дж/кг; материалоемкость m0/m, кг/кг; удельная мощность Р/m, Вт/кг; энергонасыщенность Р/m0, Вт/кг, где Р - мощность двигателя погрузчика (мощность привода рабочих органов); Q - производительность, кг/с; m - грузоподъемность (масса груза), кг; m0 - масса погрузчика, кг. Существующие фронтальные ковшовые погрузчики имеют энергоемкость и удельную мощность, описываемые распределениями, графически представленными на рис. 1. Аналогичный анализ проведен и по другим показателям эффективности, а также для погрузчиков непрерывного действия. Установлено, что энергоемкость существующих погрузчиков навоза составляет 400…1800 Дж/кг. Высокая энергоемкость погрузки приводит к росту себестоимости навоза как органического удобрения, что в свою очередь ведет к срыву агротехнических сроков его внесения, недобору сельхозпродукции и большим затратам на ее производство.

Рис. 1. Распределение энергоемкости и удельной мощности фронтальных ковшовых погрузчиков: 1 - для погрузчиков с шарнирно сочлененной рамой; 2 - для погрузчиков с управляемыми колесами

Проведенный анализ показал, что в последние годы сложилось явное противоречие: с одной стороны, для восстановления плодородия почвы необходимо наращивать внесение навоза - экологически чистого удобрения; с другой стороны, необходимо сокращать материальные затраты и ресурсы, выделяемые на эти цели: количество топлива, рабочего времени и т.д. В связи с создавшейся ситуацией возникает актуальная научная проблема повышения эффективности технологического процесса погрузки навоза. Отсутствие ресурсосберегающих рабочих органов к погрузчикам с оптимальными, обоснованными и высокопроизводительными конструктивно-режимными параметрами является причиной возникновения проблемы.

Создание новых и совершенствование существующих погрузчиков навоза следует вести в направлении обеспечения производительности, соответствующей объему перерабатываемого навоза и агротехнических срокам, при этом параметры рабочих органов и режимы должны обеспечивать минимальную энергоемкость и ресурсосбережение.

На основе проведенного анализа в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи исследований:

- провести анализ конструктивно-технологических схем погрузчиков, взаимодействия их рабочих органов с навозом и определить перспективные направления их совершенствования;

- исследовать и обосновать конструктивно-технологические схемы новых рабочих органов, значительно повышающих эффективность погрузчиков навоза;

- провести механико-математический анализ движения рабочих органов и получить аналитические выражения для определения основных характеристик: положения рабочих органов в любой момент времени, объема захватываемой части навоза, длины траектории;

- исследовать процессы взаимодействия предлагаемых рабочих органов с навозом и установить закономерности влияния физико-механических свойств, конструктивных параметров и скоростных режимов на производительность, мощность и энергоемкость;

- на базе теоретических и экспериментальных исследований создать математические и вероятностно-статистические модели, позволяющие определять оптимальные конструктивные параметры рабочих органов и режимы их взаимодействия с навозом;

- провести производственные испытания предлагаемых погрузчиков и дать технико-экономическую оценку эффективности их использования.

Во второй главе «Теоретическое исследование взаимодействия рабочих органов погрузчиков с навозом» дана классификация факторов, влияющих на технологический процесс погрузки и взаимодействие рабочих органов с навозом. Исходя из анализа, проведенного в первой главе, сделан вывод о достижении погрузчиком оптимальной производительности и минимальной энергоемкости, соответствующих объему работ и условиям применения. В соответствии с этим рабочий процесс погрузчика можно описать системой критериев оптимизации (рис. 2).

В общем случае применима математическая модель критерия оптимизации, построенная в виде функции, связывающая между собой функции каждой группы параметров, т.е.:

Кр = f (f(Э), f (Ф), f (К), f (Р)) , (1)

где f(Э) - функция, определяющая влияние эксплуатационных факторов; f(Ф) - функция, определяющая влияние физических факторов; f(К) - функция, определяющая влияние конструктивных факторов; f(Р) - функция, определяющая влияние режимных факторов.

Рис. 2. Система критериальной оптимизации процесса погрузки навоза

Наличие в хозяйствах страны ряда базовых тракторов определяет необходимость создания и разработки соответствующих им высокопроизводительных навозопогрузчиков. Для трактора К-701 (744) разработан ковшовый погрузчик (рис. 3) с передней кромкой днища, оснащенной режущими элементами.

Рис. 3. Погрузчик органических удобрений на базе трактора типа «Кировец»: 1 - базовый трактор; 2 - портал; 3 - гидроцилиндр поворота стрелы; 4 - гидроцилиндры управления ковшом; 5 - двуплечие рычаги; 6 - стрела; 7 - ковш; 8 - элемент передней кромки днища ковша

Для колесного трактора МТЗ класса 1,4 разработан и исследовался ковшовый погрузчик органических удобрений (рис. 4) на базе серийного погрузчика ПКУ-0,8А. Грузоподъемная система включает портал из двух стоек 2, смонтированных на лонжеронах 1 трактора. Стойки связаны между собой балкой 3, а с полуосями задних колес - разгружающим устройством 12. Рама подъема 5 и гидроцилиндры 4 шарнирно крепятся на стойках 2 портала.

Рис. 4. Погрузчик органических удобрений на базе трактора МТЗ: 1 - лонжерон; 2 - стойка; 3 - балка; 4, 9 - гидроцилиндры; 5 - рама подъема; 6 - кронштейн; 7, 11 - тяги; 10 - двуплечий рычаг; 12 - разгружающее устройство

Для гусеничного трактора ДТ-75М разработан погрузчик (рис. 5) непрерывного действия с фрезерно-шнековым грузозахватным устройством (питателем), имеющим два рабочих органа: фрезу и шнек. Для погрузчиков непрерывного действия также разработан элементно-цепной питатель, конструкция которого обеспечивает максимальную производительность при работе с буртами навоза высотой до 2,5 м.

Рис. 5. Погрузчик непрерывного действия с фрезерно-шнековым питателем на базе трактора ДТ-75: 1 - базовый трактор; 2 - навесная коробка; 3 - фрезерно-шнековый питатель; 4 - отгрузочный транспортер; 5 - гидравлическая навесная система; 6 - механизмы привода; 7 - опорное устройство

Питатель (рис. 6) содержит раму 1, два вала 2, 3 с закрепленными на них звездочками 4, 5, две параллельные тяговые цепи 6, 7, на тяговых цепях посредством несущих планок 8 закреплены рабочие элементы двух типов: ножи 9 и транспортирующие скребки 10.



Рис. 6. Элементно-цепной питатель: 1 - рама; 2, 3 - валы; 4, 5 - звездочки; 6, 7 - тяговые цепи; 8 - несущие планки; 9 - нож; 10 - транспортирующий скребок

Предлагаемые конструктивно-технологические схемы погрузчиков разработаны для обеспечения погрузки навоза тракторами классов 1,4; 3 и 5. При этом ковшовые погрузчики периодического действия предназначены для колесных тракторов, погрузчики непрерывного действия - для гусеничных тракторов или специального шасси.

Теоретический анализ позволил получить математические модели силового критерия - мощности, необходимой для привода погрузчиков, и качественных критериев - производительности и энергоемкости.

Исследованием кинематики предложенных рабочих органов установлена взаимосвязь конструктивных и режимных параметров и определены необходимые характеристики движения.

Одним из основных параметров движения ковшового погрузчика является время погрузочного цикла tц:

, (2)

где Kt - коэффициент совмещения операций во времени; Б - время буксования колес погрузчика, с; L1, L3 - перемещение погрузчика соответственно к штабелю груза и к транспорту для разгрузки, м; L2, L4 - отъезд соответственно от штабеля с грузом и от транспорта после разгрузки ковша, м; nн - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, с-1; Dк - диаметр ведущего колеса погрузчика, м; i'тр, i''тр - передаточное число трансмиссии погрузчика при движении соответственно передним и задним ходом; K'n - средний коэффициент изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя за рабочий цикл; С - время переключения передач, с.

Влияние кинематических параметров на процесс зачерпывания заключается в том, что кинетическая энергия трактора, движущегося со скоростью , участвует в работе по зачерпыванию груза ковшом (рис. 7). Ранее в теории ковшовых погрузчиков навоза данная энергия не учитывалась, и считалось, что в процессе захвата груза участвует только напорное усилие погрузчика.

Рис. 7. Процесс захвата груза ковшом

Выражение, в общем случае связывающее режимные и конструктивные параметры рабочих органов ковшового погрузчика с действующими силами, с учетом буксования имеет вид:

, (3)

где Fc - сила сопротивления внедрению ковша, Н; Fб - сила, затрачиваемая на буксование моторного и грузового мостов, Н; Fп - сила сопротивления перекатыванию, Н; Fк - сила от крутящего момента на колесе, Н; lвн - глубина внедрения ковша в штабель, м; mк, mгр, mм - масса, соответственно, ковша и приходящаяся на грузовой и моторный мосты, кг.

Исследование кинематики движения рабочих органов погрузчиков непрерывного действия позволило получить уравнения, описывающие положение рабочего органа в любой момент времени, и выражения для определения длины траектории точки рабочего органа и площади боковой проекции стружки.

Рис. 8. Кинематические параметры элементно-цепного питателя

Для элементно-цепного рабочего органа с поступательным переносным и относительным движением рабочего органа (рис. 8) толщина стружки будет определяться:

где - угол между векторами и , рад; - число планок с ножами; - угол отклонения оси питателя от вертикали, рад; - относительная скорость движения ножа, м/c; - время одного оборота ножа питателя, с; - скорость трактора, м/c; - величина движения за один оборот, м; r - радиус звездочки, м.

Для фрезерно-шнекового рабочего органа с вращательным как переносным, так и относительным движением площадь боковой проекции стружки:

где - длина рычага, м; - радиус фрезы, м; - угловая скорость рычага, рад/с; - угловая скорость фрезы, рад/с; - угол поворота рычага; - угол поворота фрезы.

Получение основных кинематических зависимостей и характеристик позволило провести силовой и динамический анализ процесса взаимодействия с навозом рабочих органов погрузчиков. Для получения зависимостей, связывающих данные группы факторов, а также физические и эксплуатационные факторы с критериями оптимизации, исследовано взаимодействие рабочих органов с навозом.

При внедрении ковша в штабель на него действуют следующие силы (рис. 9): Fк - сила сопротивления на передней кромке днища; Fтд - сила сопротивления, возникающая при движении материала по днищу; Fкб - сила сопротивления на кромке боковой стенки; Fg - сила тяжести материала; Fб - сила обжатия, действующая на поверхность боковой стенки; Fтб - сила трения материала о поверхность боковой стенки; Fу - сила сопротивления, возникающая при уплотнении материала; Fбу - сила давления на внутреннюю поверхность боковой стенки, возникающая при уплотнении материала; Fту - сила трения на внутренней поверхности боковой стенки.

Сила F, необходимая для преодоления всей суммы сил, действующих на ковш при внедрении, будет равна сумме вышеназванных сил:

F = Fк + Fтд + 2Fкб + 4Fтб + 2Fту + Fу . (6)

Усилие на передней кромке днища, оснащенной режущими элементами:

, (7)

где - угол при вершине элемента передней кромки днища ковша; h - высота треугольной части элемента кромки, м; q - распределенная нагрузка, Н/м; f - коэффициент трения навоза по стали.

Рис. 9. Схема сил, действующих на ковш при внедрении

После определения всех составляющих сила внедрения для ковша с задней стенкой, установленной под углом естественного откоса, будет равна:



где Bк - ширина ковша, м; к - толщина режущей кромки днища, м; К2 - коэффициент, выражающий взаимосвязь между напряжением уплотнения и относительной деформацией слоя, Па; К1 - коэффициент, выражающий взаимосвязь между боковым напряжением и напряжением сжатия; - относительная деформация слоя; - величина деформации, м; С, - постоянные коэффициенты; р - напряжение резания навоза, Па; fд - коэффициент трения движения навоза по стали (f = tg); - плотность материала, кг/м3; Lв - глубина внедрения, м; l - длина днища ковша, м; бк - толщина боковой кромки; - угол наклона днища.

Аналогично определены силы внедрения для прямой и цилиндрической задней стенки ковша.

Процесс забора материала питателем погрузчика непрерывного действия сопровождается отделением от монолита, рыхлением материала, транспортированием отделенной части и перегрузкой на отгрузочный транспортер. Рабочим органом питателя затрачиваются силы на полезную работу, а кроме того, на преодоление вредных сопротивлений:

, (9)

где - усилие резания, Н; - усилие динамического воздействия, Н; - усилие транспортирования навоза, Н; - усилие перегрузки навоза на отгрузочный транспортер, Н; - усилие преодоления вредных сопротивлений, Н.

Для элементно-цепного питателя (рис. 10) в результате анализа и определения составляющих получено выражение суммарной силы на рабочем органе:

где - предельное напряжение среза, МПа; - длина режущей кромки, мм; - средняя глубина резания (толщина стружки), мм; - угол внутреннего трения; - угол трения материала груза по материалу клина; - угол резания; - высота смятия материала режущей кромкой, мм; - удельное сопротивление материала смятию, МПа; - скорость частицы материала, м/c; - коэффициент трения материала по материалу; - угол наклона оси питателя к горизонтали; - масса материала, транспортируемого одним скребком, кг; - плотность материала, кг/м3; V - объем, заключенный между скребком и ножом, м3; - угол поворота скребка.



Рис. 10. Схема элементно-цепного питателя

Силовым анализом было установлено усилие, необходимое для фрезерования навоза фрезерно-шнековым питателем:

где b и h - ширина и толщина режущего зуба, мм; - угол постановки ножа; - угол поворота ножа; - масса частицы, кг; - коэффициент трения частицы о поверхность ножа; - напряжение разрыва навоза, МПа; - толщина стружки, мм.

Важнейшим качественным критерием эффективности погрузчика является производительность. Теоретическая производительность ковшовых погрузчиков, определяемая количеством перегружаемого груза в единицу времени при условии непрерывной работы погрузчика и полного использования его технических параметров, вычисляется по формуле

П = 3600mг/tц , (12)

где mг - номинальная масса порции груза, т; tц - полное время погрузочно-разгрузочного цикла (с учетом совмещения операций во времени), с.

Техническая производительность погрузчика:

, (13)

где K - коэффициент изменения плотности груза; Vк - номинальный объем ковша, м3; Kс - коэффициент, учитывающий влияние способа забора груза на заполнение ковша; К - коэффициент, учитывающий влияние скорости врезания ковша в материал на заполнение; Кк - коэффициент, учитывающий влияние передней кромки днища ковша на его заполнение.

Производительность навозопогрузчиков непрерывного действия непосредственно связана с параметрами движения рабочих органов и физико-механическими свойствами навоза.

Производительность элементно-цепного питателя:

Производительность фрезерно-шнекового рабочего органа:

где - количество ножей в массиве навоза; b3 - ширина ножа, м; - коэффициент заполнения рабочего объема.

Силовой критерий - мощность, необходимая для привода рабочих органов, связана с усилиями взаимодействия с навозом и скоростью протекания этого процесса. Зная усилия на рабочих органах, можно определить мощность привода погрузчиков. Для ковшовых погрузчиков периодического действия потребляемая мощность:

погрузка навоз производительность привод

где vвн - скорость внедрения ковша, м/с.

Для рабочих органов элементно-цепного питателя с поступательным переносным и относительным движением мощность привода определяется:

где v - скорость цепи питателя, м/с.

Для рабочих органов с вращательным движением, к которым относится фрезерно-шнековый питатель, мощность привода определяется:

где m - масса навоза, отделяемого одним ножом, кг; - длина траектории движения ножа в массиве навоза, м.

Энергоемкость является важнейшим показателем степени совершенства погрузчика и его рабочих органов по экономичности и ресурсосбережению.

. (19)

Подстановка выражений, соответствующих Р и Q, в (19) позволяет получить математические модели для энергоемкости погрузчиков.

В третьей главе «Методы экспериментальных исследований» изложены задачи, общие принципы и методики проведения экспериментальных исследований рабочих органов погрузчиков периодического и непрерывного действия.

Экспериментальные исследования ковшовых погрузчиков проводились с оснащением погрузчика (рис. 11) комплексом тензометрической измерительной аппаратуры. Исследования проводились с использованием методов планирования эксперимента, физического и математического моделирования.



Рис. 11. Схема оснащения погрузчика измерительной аппаратурой: 1 - датчики перемещения штоков гидроцилиндров подъема стрелы и наклона ковша; 2 - датчики давления масла в гидроцилиндрах подъема стрелы и наклона ковша; 3 - датчики изменения крутящего момента на полуосях; 4 - датчики частоты вращения полуосей; 5 - датчик расхода топлива

Отделение и захват части навоза от основного бурта осуществляется в процессе взаимодействия с ним рабочих органов погрузчика. Вид движения рабочих органов оказывает существенное влияние на силовые и качественные критерии эффективности погрузки. Сочетание переносного и относительного движений образует сложное движение рабочего органа, в соответствии с которым выбираются его характеристики. Переносное движение при работе является, в основном, прямолинейным и связано с поступательным движением погрузчика в направлении массива навоза. Относительное движение может быть вращательным, поступательным прямолинейным или сложным. Для экспериментальных исследований рабочих органов, совершающих поступательные прямолинейные движения при взаимодействии с навозом, наиболее информативными параметрами являются линейная скорость перемещения и сила внедрения (отрыва, отделения). Для рабочих органов, совершающих вращательные движения, наиболее информативными параметрами будут угловая скорость и крутящий момент на валу рабочего органа. В соответствии с этим проведены исследования как усилий, так и крутящих моментов на валах.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований погрузчиков навоза» изложены результаты экспериментальных исследований рабочих органов погрузчиков навоза.

При проведении экспериментальных исследований получены натуральные величины крутящих моментов на полуосях ковшового погрузчика. Получены значения тяговых усилий, необходимых для заполнения ковша, а также силы сопротивления внедрению. Для погрузчиков непрерывного действия определены усилия отделения частей навоза от основного массива, получены значения крутящих моментов на валах рабочих органов. Вышеназванные параметры позволяют перейти к исследованию приводной мощности, производительности и энергоемкости погрузчиков.

В результате экспериментов определены численные значения производительности ковшового погрузчика на базе трактора тягового класса 1,4 в зависимости от скорости внедрения ковша в навоз. При обработке результатов экспериментов получено выражение:

Q = 5,03 + 2,596 lg . (20)

Адекватность выражения (20) проверена по критерию Фишера. Графически данная зависимость представлена на рис. 12.

Зависимость показывает, что с увеличением скорости внедрения производительность погрузчика возрастает неравномерно. Следовательно, существует такая скорость внедрения, при которой производительность погрузчика будет оптимальной. Такой характер зависимости связан с изменением глубины внедрения ковша с увеличением скорости. Вначале производительность растет более интенсивно, в дальнейшем этот рост сокращается, т.е. при увеличении скорости внедрения получено незначительное приращение величины внедрения.



Рис. 12. Зависимость производительности погрузчика от скорости внедрения

В результате обработки экспериментальных данных для производительности элементно-цепного питателя погрузчика непрерывного действия получено уравнение (21), графическая интерпретация которого в виде сечений поверхности отклика представлена на рис. 13.

Рис. 13. Влияние поступательной скорости питателя , м/с, и скорости движения рабочих элементов W, м/с, на производительность Q, кг/с, при = 45

, (21)

где .

Из анализа рис. 13 следует, что при постоянном угле наклона питателя 45 с изменением скорости движения рабочих элементов от 0,37 м/с до 0,50 м/с производительность возрастает с 35 кг/с до 60 кг/с. Наибольшая интенсивность роста производительности наблюдается с увеличением поступательной скорости от 0,047 м/с до 0,083 м/с. В дальнейшем при увеличении поступательной скорости интенсивность роста производительности снижается. При других углах наклона питателя характер изменения производительности не меняется.

Установлено влияние поступательной скорости и угла наклона питателя на производительность при постоянной скорости движения рабочих элементов . Уравнение примет вид (графически в виде сечений поверхности отклика - на рис. 14):

. (22)

При изменении угла наклона питателя от 30 до 60 производительность меняется незначительно. Очевидно, это связано с тем, что условия резания не меняются и толщина стружки отделенного материала также остается постоянной. При изменении поступательной скорости от 0,047 м/с до 0,110 м/с производительность возрастает с 50 кг/с до 65 кг/с. Наибольшая интенсивность роста производительности наблюдается в диапазоне поступательных скоростей от 0,047 м/с до 0,083 м/с. С дальнейшим увеличением поступательной скорости интенсивность возрастания производительности снижается.

Зависимость производительности от угла наклона питателя и поступательной скорости движения питателя , при скорости движения рабочих элементов, равной м/с, в виде сечений поверхности отклика представлена на рис. 15.

Анализируя двухмерные сечения поверхности отклика, можно сказать, что влияние угла наклона питателя на производительность незначительно. При изменении поступательной скорости питателя от 0,047 м/с до 0,110 м/с производительность меняется от 25 кг/с до 40 кг/с. Аналогично исследовано влияние скорости рабочих элементов на производительность. Получены зависимости и соответствующие им вероятностно-статистические модели. По результатам исследований сделан вывод: производительность зависит от угла наклона питателя незначительно, имеет большую интенсивность возрастания в диапазоне поступательных скоростей от 0,047 м/с до 0,083 м/с.

Рис. 14. Влияние поступательной скорости питателя, м/с, и угла наклона питателя на производительность Q, кг/с, при W = 0,44 м/с

Максимальное значение производительности наблюдается при скорости движения рабочих элементов, равной 0,5 м/с, во всем диапазоне поступательных скоростей. Производительность при скорости 0,047 м/с составляет 60 кг/с, при скорости 0,11 м/с - 80 кг/с. Следовательно, максимальная производительность питателя 80 кг/с достигается при поступательной скорости питателя 0,11 м/с и скорости движения рабочих элементов 0,5 м/с. Наибольшая интенсивность роста производительности наблюдается при постоянной поступательной скорости питателя, близкой к 0,083 м/с.

Рис. 15. Влияние поступательной скорости питателя, м/с, и угла наклона питателя на производительность Q, кг/с, при W = 0,37 м/с

Энергоемкость является одним из наиболее объективных критериев, позволяющих оценить эффективность работы погрузчика. Она показывает величину энергии, затрачиваемой на погрузку единицы массы навоза. Наибольшую эффективность будет иметь погрузчик с конструктивно-технологической схемой и параметрами рабочих органов, которые при требуемой производительности обеспечат минимальную энергоемкость. При исследовании рабочего процесса фронтального пневмоколесного погрузчика с жесткой рамой на базе трактора класса 1,4 были получены следующие результаты.

Установлено, что самой энергоемкой операцией погрузки органических удобрений является внедрение ковша в штабель. Энергоемкость внедрения составляет более 300 Дж/кг. В ходе проведения экспериментальных исследований были получены значения энергоемкости внедрения и энергоемкости рабочего цикла погрузчика. Дальнейшая их обработка по методике, изложенной в третьей главе, позволила получить аналитические зависимости от скорости внедрения:

- для энергоемкости внедрения

eвн = 1033,65 - 622,385 + 105,822, (23)

- для энергоемкости рабочего цикла погрузки

eц = 4057,34 - 2064, 8 + 393,672. (24)

Графическая интерпретация данных выражений представлена на рис. 16 и 17 соответственно. Из графиков следует, что с увеличением скорости внедрения энергоемкость внедрения и всего рабочего процесса сначала снижается, затем начинает увеличиваться. Такой характер изменения энергоемкостей позволяет определить их оптимальные значения. Из выражения (23) следует, что при скорости движения погрузчика 2,95 м/с энергоемкость внедрения имеет минимальную величину - 114 Дж/кг.

Анализ зависимости (24) позволил определить значение скорости, при котором энергоемкость рабочего процесса минимальна. При скорости внедрения, равной 2,625 м/с, энергоемкость рабочего процесса имеет наименьшую величину -- 1350 Дж/кг.

В результате исследований установлено, что работа ковшового погрузчика на базе трактора МТЗ будет наиболее эффективной с использованием второй передачи на скорости 2,43 м/с. При этом производительность составила 6,034 кг/с, энергоемкость цикла погрузки - 1364 Дж/кг.

Выявлено, что самой энергоемкой операцией рабочего процесса ковшового навозопогрузчика на базе трактора тягового класса 5 также является забор груза. Энергоемкость этой операции составляет более 380 Дж/кг. При этом мощность двигателя трактора реализуется лишь на 57…70 %. Энергоемкость отъезда погрузчика с грузом от штабеля составляет около 149 Дж/кг; энергоемкость подъема груза на высоту разгрузки и подъезда погрузчика с грузом к транспорту составляет соответственно (в среднем) 53 Дж/кг и 88 Дж/кг.

Рис. 16. Зависимость энергоемкости внедрения от скорости внедрения



Рис. 17. Зависимость энергоемкости рабочего цикла от скорости внедрения ковша

С целью повышения эффективности погрузчика проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров предложенной рациональной передней кромки днища ковша. В экспериментах, выполненных на погрузке полуперепревшего навоза плотностью 0,78…0,9 т/м3 и влажностью 75…82 %, получены следующие результаты. Зависимость энергоемкости операции забора навоза от величины угла при вершине составного элемента передней кромки днища ковша в виде уравнения регрессии имеет вид (графически - на рис. 18):

. (25)

С уменьшением угла от 180 до 113,4 происходит снижение энергоемкости и удельного расхода топлива. При дальнейшем уменьшении угла при вершине передней кромки днища ковша наблюдается увеличение как энергоемкости, так и удельного расхода топлива на операции забора навоза. Максимальный эффект от скользящего действия и зон повышенного удельного давления наблюдается при = 113,4, когда энергоемкость и удельный расход топлива минимальные.



Рис. 18. Зависимость энергоемкости забора груза от угла при вершине элемента кромки

Давление воздуха в шинах погрузчика с блокированным приводом оказывает существенное влияние на распределение крутящего момента по мостам погрузчика, которое в свою очередь влияет на величину потерь мощности, затрачиваемой на самопередвижение и на буксование колес трактора.

Полученные в результате экспериментальных исследований значения позволили определить зависимости энергоемкости забора от давления воздуха в шинах моторного моста погрузчика при погрузке свежего и полуперепревшего навоза. Режущая кромка днища ковша была прямолинейной либо пилообразной (четырех видов). Обработка результатов позволила получить уравнения энергоемкости:

- для пилообразной режущей кромки на свежем навозе

, (26)

где - давление воздуха в шинах моторного моста, МПа;

- для пилообразной режущей кромки на полуперепревшем навозе

(27)

- для прямолинейной режущей кромки на свежем навозе

(28)

- для прямолинейной режущей кромки на полуперепревшем навозе

(29)

На основе полученных выражений были построены зависимости (рис. 19). Анализ показывает, что с увеличением давления воздуха в шинах энергоемкость забора вначале уменьшается, а затем увеличивается. Такой характер ее изменения позволяет определить оптимальное значение исследуемых величин.

Рис. 19. Зависимость энергоемкости внедрения от давления воздуха в шинах моторного моста: 1 - ковш с пилообразной режущей кромкой днища, навоз свежий; 2 - ковш с пилообразной режущей кромкой днища, навоз полуперепревший; 3 - ковш с прямолинейной режущей кромкой днища, навоз свежий; 4 - ковш с прямолинейной режущей кромкой днища, навоз полуперепревший

Оптимальные значения энергоемкости при внедрении ковша в штабель достигаются при давлении воздуха в шинах моторного моста, равном 0,134-0,142 МПа, и составляют при погрузке свежего и полуперепревшего навоза 100 и 165 Дж/кг соответственно. Погрузка полуперепревшего навоза должна осуществляться ковшом, имеющим пилообразную режущую кромку днища, а свежего навоза - ковшом, имеющим прямолинейную режущую кромку днища, что связано с особенностями физико-механических свойств захватываемого материала.

При оптимизации скорости внедрения ковша погрузчика и давления воздуха в шинах трактора «Кировец» достигнуто снижение всей энергоемкости рабочего процесса на 11-12 %.

Мощность привода рабочих органов погрузчиков непрерывного действия складывается из мощности, необходимой для фрезерования (отделения) частей навоза от основного массива, и мощности, потребной для транспортирования отделенных частей к отгрузочному транспортеру.

Мощность на привод фрезерно-шнекового питателя складывается из мощности, потребляемой фрезой на отделение навоза, и мощности, затрачиваемой шнеком на транспортирование навоза. Значения крутящего момента на валу фрезы и валу шнека, их угловые скорости измерялись и фиксировались тензометрической аппаратурой во время проведения экспериментальных исследований. В результате исследований были получены значения мощности, соответствующие различным значениям угловых скоростей фрезы и шнека, диаметра фрезы. После обработки полученных данных была построена математическая модель 2-го порядка, адекватно описывающая экспериментальные точки:

Графическая интерпретация уравнения (30) представлена на рис. 20. Анализируя уравнение (30) и двухмерные сечения поверхности отклика, можно сделать вывод, что уменьшение или увеличение частоты вращения фрезы, ее диаметра и частоты вращения шнека по сравнению со значениями области оптимума с центром ( = 0,68 об/c; = 0,8386 м; = 0,88 об/c) приводит к возрастанию мощности на привод рабочих органов питателя.

Рис. 20. Сечения поверхности отклика приводной мощности фрезерно-шнекового питателя в зависимости от частоты вращения фрезы х1, диаметра фрезы х2, частоты вращения шнека х3

Исследованиями установлено влияние конструктивных и режимных параметров на приводную мощность и энергоемкость элементно-цепного питателя. В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение, описывающее влияние угла наклона и поступательной скорости питателя на энергоемкость процесса:

,

. (31)

Графически в виде сечений поверхности отклика уравнение представлено на рис. 21, а. При анализе поверхности отклика установлено, что при постоянной скорости рабочих элементов питателя 0,44 м/с с увеличением поступательной скорости энергоемкость снижается и увеличивается с уменьшением угла наклона. Минимального значения энергоемкость достигает при поступательной скорости питателя 0,11 м/с и угле наклона 60. Влияние поступательной скорости на энергоемкость носит линейный характер.

Уравнение регрессии для энергоемкости при изменении поступательной скорости и скорости движения рабочих элементов при постоянном угле наклона питателя имеет вид:

,

. (32)

Графически в виде двухмерных сечений поверхности отклика уравнение представлено на рис. 21, б. Минимум энергоемкости достигается при скорости рабочих элементов 0,44 м/с и поступательной скорости питателя 0,11 м/с. Увеличение скорости рабочих элементов дает значительное увеличение энергоемкости. Поступательная скорость питателя влияет на энергоемкость значительно меньше. При скорости рабочих элементов 0,370 м/с и поступательной скорости 0,048 м/с производительность невысока и как следствие - велика энергоемкость. При скорости рабочих элементов 0,50 м/с и поступательной скорости 0,11 м/с резко возрастает мощность на привод, при этом производительность растет с меньшей интенсивностью, что приводит к высоким значениям энергоемкости.

Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований подтвердил достоверность математических моделей, аналитических и вероятностно-статистических моделей. Расхождения не превышают 5 %, что обеспечивает определение с требуемой точностью конструктивных и режимных параметров рабочих органов погрузчиков навоза, силовых и качественных показателей их эффективности.

В пятой главе «Технико-экономические показатели эффективности внедрения результатов исследований» представлены результаты производственных испытаний погрузчиков навоза. Погрузчики имели значения параметров и режимов, установленные в ходе исследований. В главе также представлены результаты расчетов технико-экономической эффективности использования предлагаемых погрузчиков и результатов исследований.

а - поступательной скорости питателя , м/с, и угла наклона питателя ;

б - поступательной скорости питателя , м/с, и скорости рабочих элементов W, м/с

Рис. 21. Влияние на энергоемкость процесса Y, Дж/кг:

Теоретические и экспериментальные исследования подтверждены результатами производственных испытаний. Максимальная производительность погрузчика на базе трактора МТЗ-80 - 23 т/ч; ковшового погрузчика на базе К-701 - 195 т/ч; погрузчика непрерывного действия с фрезерно-шнековым питателем на базе трактора ДТ-75М - 200 т/ч; погрузчика с элементно-цепным питателем на спецшасси - 244 т/ч. Энергоемкость погрузки соответственно составила: 1364 Дж/кг; 1020…1135 Дж/кг; 341,8 Дж/кг и 200 Дж/кг.

Снижение приведенных затрат составило 10,6…42,3 %; годовой экономический эффект обеспечивает окупаемость дополнительных капиталовложений за время от 0,87 до 2,93 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих конструктивно-технологических схем погрузчиков навоза и технологических схем их применения показал, что погрузка является одной из основных операций во всех технологических схемах накопления и внесения навоза, на которую приходится до 40 % от общей трудоемкости. Одной из основных причин недостаточного внесения навоза является высокая энергоемкость машин, в том числе и погрузчиков, используемых для внесения навоза. Проведенный анализ технико-экономических показателей существующих погрузчиков периодического и непрерывного действия позволил определить значения силовых и качественных критериев оптимизации перспективных и усовершенствованных погрузчиков. Для погрузчиков периодического действия энергоемкость погрузки должна быть менее 1500…1600 Дж/кг, для погрузчиков непрерывного действия - менее 400…700 Дж/кг.

2. Теоретическими исследованиями получены математические модели, характеризующие рабочие органы погрузчиков как движущуюся механическую систему, учитывающие вид и характер движения и позволяющие определять положение точки рабочего органа в любой момент времени. Определяющее влияние на процесс взаимодействия с навозом оказывают конструктивные параметры отделяющих и транспортирующих рабочих органов, а также режимы их работы. Получено математическое описание, характеризующее влияние всей суммы факторов на производительность (выражения 13, 14, 15), силы взаимодействия с навозом (выражения 6, 7, 8, 9, 10, 11), мощность (выражения 16, 17, 18) и энергоемкость (выражение 19) работы погрузчика.

3. Получены аналитические выражения и уравнения регрессии, связывающие производительность погрузчиков с режимными и конструктивными параметрами. Увеличение скорости внедрения рабочих органов в штабель позволяет повысить производительность погрузчика периодического действия, однако увеличение производительности с ростом скорости внедрения свыше 2 м/с замедляется, а при скорости более 3 м/с прекращается. Аналогично увеличение поступательной скорости элементно-цепного питателя погрузчика непрерывного действия вызывает рост производительности. Наибольшая интенсивность роста производительности имеет место в диапазоне поступательных скоростей от 0,047 м/с до 0,083 м/с. С увеличением скорости свыше 0,083 м/с рост производительности замедляется. Такую же зависимость имеет производительность от скорости движения рабочих элементов.

4. В результате исследований получены математические и вероятностно-статистические модели мощности привода и энергоемкости погрузки, позволяющие определить оптимальные значения конструктивных и режимных параметров. Для ковшового погрузчика на базе трактора тягового класса 1,4 наименьшая энергоемкость 1350 Дж/кг достигается при скорости внедрения 2,6 м/с. Для ковшового погрузчика на базе трактора тягового класса 5,0 оптимальными будут параметры: угол при вершине элементов пилообразной передней кромки днища ковша 113,5; скорость внедрения 1,5…1,8 м/с; давление в шинах моторного моста 0,134…0,142 МПа, грузового моста - 0,26 МПа. Минимальные затраты мощности на привод фрезерно-шнекового питателя достигаются при частоте вращения фрезы 0,68 об/с, частоте вращения шнека 1,04 об/с, диаметре фрезы 0,8…0,85 м. Минимальная энергоемкость элементно-цепного питателя достигается при поступательной скорости 0,11 м/с, скорости рабочих элементов 0,44 м/с и угле наклона питателя 60.

5. Установлены значения основных технико-экономических показателей производственных образцов. Производительность ковшового погрузчика на базе трактора тягового класса 5,0 составила: на погрузке свежего навоза 175 т/ч, на погрузке полуперепревшего навоза 195 т/ч, энергоемкость соответственно 1135 и 1019 Дж/кг; производительность ковшового погрузчика на базе трактора тягового класса 1,4 - до 23 т/ч при энергоемкости внедрения 114 Дж/кг, всего погрузочного цикла - 1350 Дж/кг; производительность погрузчика непрерывного действия с фрезерно-шнековым питателем на базе трактора тягового класса 3,0 составила 200 т/ч при энергоемкости 341,8 Дж/кг; производительность погрузчика непрерывного действия с элементно-цепным питателем - 244 т/ч, энергоемкость погрузки 200 Дж/кг.

6. Расчеты технико-экономической эффективности показывают, что при применении ковшового погрузчика на базе трактора «Кировец» приведенные затраты снижаются по сравнению с серийными погрузчиками: ПФП-1,2 на 21,8 %, П-4/85 на 42,3 %; при применении ковшового погрузчика с оптимизированными параметрами на базе трактора МТЗ приведенные затраты снижаются на 10,6 %. Использование погрузчика непрерывного действия с фрезерно-шнековым питателем в сравнении с ПНД-250А позволяет снизить прямые затраты на 34 %, погрузчика с элементно-цепным питателем - на 27,9 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Дёмин, Е. Е. К вопросу о разработке сельскохозяйственного погрузчика непрерывного действия / Е. Е. Дёмин, Ю. А. Савченко, В. А. Кочеров // Механизация погрузочно-разгрузочных работ в сельскохозяйственном производстве : сб. науч. работ / Сарат. с.-х. ин-т им. Н. И. Вавилова. - Саратов, 1981. - С. 85-90 (0,4 печ. л. /0,13 печ. л.).

2. Дёмин, Е. Е. Об оптимальных технико-экономических показателях сельскохозяйственного погрузчика типа ПФ / В. В. Красников, Е. Е. Дёмин // Механизация погрузочно-разгрузочных и транспортных работ в сельском хозяйстве : сб. науч. работ / Сарат. с.-х. ин-т им. Н. И. Вавилова. - Саратов, 1983. - С. 30-35 (0,4 печ. л./0,2 печ. л.).

3. Дёмин, Е. Е. Об устойчивости погрузчика типа ПФ, навешенного на трактор К-701 / Е. Е. Дёмин, С. Н. Баранов // Механизация погрузочно-разгрузочных и транспортных работ в сельском хозяйстве : сб. науч. работ / Сарат. с.-х. ин-т им. Н. И. Вавилова. - Саратов, 1983. - С. 46-50 (0,4 печ. л./0,2 печ. л.).

4. Дёмин, Е. Е. Ковшовый погрузчик / В. В. Красников, Е. Е. Дёмин // Степные просторы. - 1984. - № 4. - С. 36-37 (0,22 печ. л./0,11 печ. л.).

5. Дёмин, Е. Е. Хозяйственные испытания фронтального погрузчика органических удобрений / Е. Е. Дёмин // Вопросы использования и совершенствования техники целинного земледелия : сб. науч. работ. - Алма-Ата, 1985. - С. 125-129 (0,31 печ. л.).

...