В введении обоснована актуальность темы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе "Состояние вопроса. Цель и задачи исследования" приведена характеристика технологий заготовки и способов хранения консервированных кормов. Описаны способы разгрузки траншейных хранилищ. Приведена техническая характеристика зарубежных погрузчиков для блочно-порционной выемки силоса и сенажа и прицепных смесителей-кормо-раздатчиков. Определены основные агрозоотехнические требования, предъявляемые к погрузчикам кормов, намечены направления совершенствования их рабочих органов.

В настоящее время существует большое разнообразие конструкций погрузчиков непрерывного и периодического действия, а также исследований по изучению особенностей взаимодействия рабочих органов с материалом.

Основная часть исследований приходится на процесс отделения и погрузки силоса и сенажа рабочими органами фрезерующего и сгребающего типов, обоснование их геометрических и кинематических параметров. Большой вклад в изучение данной проблемы внесли Волосевич Н.П., Семенихин А.М., Тищенко М.А., Алексенко Н.П., Белов В.П., Зуев В.А., Клименов И.А., Кормановский Л.П., Кутлембетов А.А., Лукашевич Н.М., Магомедов М.М., Резник Е.И., Ткач В.Д. и др.

Разработке и обоснованию параметров рабочих органов для блочной выемки силоса и сенажа с режущими элементами посвящены работы Красникова В.В. Дубинина В.Ф., Попова В.Г., Павлова И.М., Толкалова А.А., Макарова С.А., Мефокова И.В. и др.

Проведенный анализ технологий заготовки и хранения силоса и сенажа, способов и средств механизированной разгрузки траншейных хранилищ, требований, предъявляемых к технологической операции выемки консервированных кормов, а также результатов исследований по механизации выгрузки кормов из хранилищ позволяет сделать вывод, что наиболее перспективными являются погрузчики для блочно-порционный выемки.

Исходя из результатов анализа и в соответствии с поставленной целью в работе предусмотрено решение следующих задач:

на основе анализа литературных источников и патентных фондов определить перспективные направления совершенствования погрузчиков для блочной выемки консервированных кормов;

изучить физико-механические и технологические свойства консервированных кормов;

выявить теоретические зависимости усилий резания консервированного корма и обосновать конструктивные и режимные параметры рабочего органа погрузчика;

экспериментально исследовать технологический процесс и определить условия наименьших энергозатрат отделения блок-порции;

провести производственные испытания рабочего органа фронтального погрузчика и дать его экономическую оценку.

Во втором разделе "Теоретическое исследование энергозатрат на блочную выемку консервированных кормов" обоснован технологический процесс блочной выемки силоса из траншейного хранилища, проведено кинематическое и силовое исследование рабочего органа к фронтальному погрузчику.

Навесное оборудование состоит из грузоподъемной системы фронтального погрузчика ПКУ-0,8 и рабочего органа. Он содержит раму 1 (рис.1) сварной конструкции, на горизонтальном брусе 2 которой установлены зубья вил 3. В вертикальных стойках 4 шарнирно с возможностью подъема-опускания установлена П-образная рамка 5. Последняя приводится в движение двумя гидроцилиндрами 6 двустороннего действия и имеет фронтальный 7 и два боковых ножа 8. Для навешивания рабочего органа на раме 1 предусмотрены кронштейны 9.

Рисунок 1 - Рабочий орган для выемки силоса и сенажа

Погрузчик работает по следующей технологической схеме:

подъезд к кормовому массиву и внедрение в него горизонтально ориентированных вил; отделение захваченной вилами порции корма в вертикальной плоскости с трех, а впоследствии с двух сторон; отрыв отрезанной порции корма по основанию в горизонтальной плоскости; отъезд от массива и погрузка порции корма в транспортное средство. Затем операции повторяются.

Операция отрезания кормового массива зависит от геометрических, кинематических и режимных параметров рабочего органа, представляющего собой пространственный механизм. Скорость движения режущих элементов является главным кинематическим параметром.

Кинематическую схему рабочего органа (рис.2, а) можно представить в виде схемы кулисного механизма (рис.2, б), где ковш в виде кривошипа 1 имеет форму кругового сектора АОА₁. Шток изобразим ползуном 2, а гидроцилиндр - кулисой 3.

а б

Рисунок 2 - Механизм рабочего органа: а - кинематическая схема, б - схема кулисного механизма

Шток движется с постоянной скоростью , длина гидроцилиндра изменяется по закону

. (1)

Из по теореме косинусов

, (2)

откуда угол наклона кривошипа

, (3)

где , расстояние l меняется по закону (1). Начальное значение угла при и

. (4)

При конечном значении угла отрезок ОА₁ занимает горизонтальное положение. При этом .

Отсюда . (5)

Чтобы найти угловую скорость ковша, дифференцируем равенство (2)

. (6)

Так как , , то

. (7)

Для определения скорости любой точки ковша, например, режущих элементов зубьев фронтального ножа А₂, необходимо умножить на радиус ОА₂.

Одним из основных показателей эффективности погрузчика является энергоемкость выполняемого им технологического процесса. Для определения энергозатрат отделения консервированного корма рассмотрим взаимодействие режущих элементов рабочего органа с материалом при его вращательном движении. Процесс резания начинается когда точка В режущей кромки бокового ножа проходит горизонтальную поверхность корма П₁П₂ (рис.3, а). Затем, по достижении точки А поверхности П₁П₂, резание производит и фронтальный нож. Отделение порции по вертикальным поверхностям завершается, когда боковой режущий элемент перемещается на величину h_П.

Рассмотрим процесс отделения, разбив его на два этапа и допустив, что перемещаются не ножи, а среда - кормовая масса.

На первом этапе (поверхность корма пересечет точку В лезвия), в момент касания лезвия бокового ножа АВ с поверхностью П₁П₂ точка Е приложения сопротивления резанию = находится в крайнем положении и совпадает с точкой В. При вращении среды точка перемещается вдоль лезвия АВ. Другое крайнее положение этой точки находится в середине АВ. Координаты точки Е, модуль силы и ее направление изменяются, а затем сохраняют постоянное значение. Момент силы относительно оси вращения O₁z₁

, (8)

где x₁, y₁ - координаты Е - точки приложения силы ; , - проекции этой силы на оси координат.

а б

Рисунок 3 - Взаимодействие рабочего органа с консервированным кормом: а - боковым ножом, б - фронтальным ножом

Уравнение вращения среды

, (9)

где соответствует началу резания кромкой АВ, - моменту касания точкой А поверхности П₁П₂, - окончанию резания.

Резание корма лезвием АВ производится при значениях угла

(10)

При момент силы ; при достигает максимального значения . Предположив, что момент силы линейно изменяется в зависимости от

, (11)

выразим работу момента силы

. (12)

На втором этапе (лезвие АВ полностью погружено в материал) угол находится в пределах

. (13)

Момент силы сохраняет постоянное значение , а работа силы равна

. (14)

Суммарная работа силы резания лезвием бокового ножа ковша при его вращении

. (15)

Углы и определяются по выражениям

; (16)

; (17)

; ; (18)

; . (19)

Максимальное значение момента силы

. (20)

Аналогично определив работы остальных сил, действующих на боковой и на фронтальный ножи, суммируем их.

Работа силы резания элементом фронтального ножа

. (21)

Зависимость суммарного момента М_С и энергозатрат на операцию резание А_С от угла поворота рабочего органа приведена на рис.4. При этом рассматривался рабочий орган с основными геометрическими параметрами:

толщина зуба фронтального ножа _З=0,006 м, режущего элемента фронтального ножа _Э=0,004 м, бокового ножа _П=0,010 м;

длина фронтального ножа - 1,5 м, бокового ножа - 0,610 м;

толщина лезвия режущего элемента фронтального ножа и бокового ножа _Л=0,0001 м;

Значения физико-механических и технологических свойств консервированных кормов определили экспериментальными исследованиями:

среднее значение коэффициента трения корма о сталь - 0,42;

удельное сопротивление резанию - 30 Н/мм.

Рисунок 4 - Зависимость суммарного момента сопротивления (1) и работы сил резания (2) от угла поворота П-образного ножа

Для большей наглядности используется угол , отсчитываемый от оси O₁y₁

. (22)

Таким образом, в результате теоретических исследований получены графические зависимости энергозатрат процесса резания консервированных кормов, зависящих от геометрических параметров рабочего органа и физико-механических свойств силосного и сенажного массива.

В третьем разделе "Программа и методика экспериментальных исследований" приведены методики исследований физико-механических свойств силосного и сенажного массивов и проведения лабораторно-полевых исследований. Также в ней отражены описание экспериментальных установок, методики обработки опытных данных и проведения производственных испытаний.

Программой экспериментальных исследований предусматривалось изучение процесса резания кормового массива режущими элементами сегментной формы с различным углом наклона режущей кромки, определение зависимости усилия резания от угла наклона режущей кромки и трансформированного угла заточки режущего элемента.

Процесс резания изучался на изготовленной экспериментальной установке. Она навешивается на механизм задней навески трактора и состоит из сварной рамы 1 (рис.5) с шарнирно установленным двуплечим рычагом 2, соединенным одной стороной с гидроцилиндром 3, установленным на раме, а другой - с ползуном 4, перемещающимся по направляющим штангам 5. Ползун 4 в средней части выполнен в виде втулки, куда установлен экспериментальный нож 6. Максимальная глубина резания ножа составляет - 500 мм.

Для экспериментальных исследований были разработаны и изготовлены четыре типа ножей с гладкими треугольными зубьями, к которым с помощью заклепок присоединены выступающие за габариты зубьев гладкие режущие элементы. Ножи выполнены из листовой стали толщиной 8 мм. Габаритные размеры ножей одинаковы и составляют по ширине 300 мм, по высоте - 250 мм. Каждый нож имеет определенный угол наклона режущей кромки зубьев - 2 = 90°, 75°, 60° и 45°. Среднее значение толщины лезвия режущего элемента каждого из ножей на момент проведения исследований составило - 0,1 мм.

Рисунок 5 - Схема экспериментальной установки

Фиксация параметров осуществлялась измерительной аппаратурой, включающей светолучевой осциллограф К-20-22, потенциометрические датчики давления ДМП-40, ДМП-100А. Питание осциллографа осуществлялось постоянным током напряжением 24 В от двух последовательно включенных аккумуляторных батарей 6 СТ-132, а датчиков - током напряжением 4,5 В. Изменение давления фиксировалось на фотобумаге РО шириной 200 мм и чувствительностью 600 единиц ГОИ.

Лабораторно-полевые исследования проводились в ЗАО "Кудашевский конезавод" Базарнокарабулакского района Саратовской области.

В четвертом разделе "Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний" представлены результаты проведенных в соответствии с разработанной методикой экспериментальных исследований и производственных испытаний и дан их анализ. Приведена экономическая оценка применения погрузчика с новым рабочим органом.

Исследования плотности и влажности консервированных кормов проводились непосредственно перед проведением лабораторно-полевых экспериментов. Эти два основных физико-механических свойства полностью зависят от степени измельчения массы, срока хранения и фазы спелости закладываемой культуры. По полученным данным, согласно методике планирования экспериментов, определены интерполяционные выражения, характеризующие зависимость плотности материала от влажности :

для силоса из кукурузы -

; (23)

для сенажа из эспарцета и викоовсяной смеси -

. (24)

Плотность силоса и сенажа в траншейных хранилищах, как показали исследования, зависит от влажности консервируемой культуры и изменяется по высоте кормового массива. Данные результаты необходимы для выбора оптимальных параметров конструкции режущих элементов рабочего органа, от которых зависит энергоемкость процесса резания консервированного корма и производительность погрузчика в целом.

Для силоса кукурузного и сенажа из эспарцета с викоовсяной смесью значение влажности и плотности в момент проведения исследований на высоте 1 м от основания составили соответственно - 70 % и 57 %; 780 кг/м³ и 630 кг/м³.

В результате проведенных исследований по изучению технологических свойств кормового массива получены интерполяционные выражения, характеризующие изменение глубины внедрения экспериментальных ножей и удельного сопротивления резанию от угла наклона режущей кромки ножа:

, (25)

. (26)

Удельное сопротивление резанию, которое складывается из сопротивления сжатию кормового массива, сил трения, возникающих на фаске и боковых поверхностях ножа, и сопротивления резанию, по результатам исследований составило - 8,8…11,0 Н/мм².

Экспериментальные ножи, разработанные на основании теоретических изысканий, перед проведением экспериментов проверялись на работоспособность. Острота лезвия режущих элементов ножей доводилась вручную до значения - 0,1 мм, так как она является наиболее важным из всех геометрических параметров, оказывающих существенное влияние на качество резания и определяющих силовое воздействие лезвия на материал.

Методика планирования экспериментов позволила определить зависимость усилия резания от угла наклона режущей кромки (рис.6, а). Полученная зависимость описывается интерполяционным выражением (27).

, (27)

Зависимость энергозатрат на резание от угла наклона режущей кромки (рис.6, б) описываются интерполяционным выражением (28).

, (28)

а

б

Рисунок 6 - Экспериментальные исследования усилий и энергозатрат на резание силоса кукурузного: а - зависимость усилия резания от угла наклона режущей кромки; б - зависимость энергозатрат на резание от угла наклона режущей кромки

Снижение сопротивления резанию кормового массива с увеличением угла наклона связано с эффектом кинематической трансформации остроты лезвия и угла заточки. По результатам экспериментальных исследований и технологичности рабочего органа наиболее рациональным является угол наклона 60°.

Перемещение фронтального ножа по криволинейной траектории сопровождается повышением усилия на деформацию материала внутренней поверхностью, однако в балансе сопротивлений на элементах всего рабочего органа оно незначительно.

Для определения энергозатрат на технологическую операцию отделения кормовой порции от массива ножом были проведены эксперименты с остротой режущей кромки 0,1 мм и углом наклона режущих элементов 60°. По результатам построена зависимость энергозатрат на отделение силоса кукурузного (рис.7).

Рисунок 7 - Энергозатраты на операцию отделения

Зависимость энергозатрат на операцию отделения от угла поворота П-образного ножа описывается интерполяционным выражением (29).

(29)

В результате сравнения теоретической зависимости энергозатрат с экспериментальной заключаем, что их сходимость значима с 95 % - ной вероятностью.

В процессе испытаний производилась выемка силоса кукурузного и сенажа из травяной смеси, заготовленных в наземные облицованные траншейные хранилища размерами 75Ч24Ч2,5 м. Погрузка осуществлялась в кормораздатчики универсальные КТУ-10А и грузовые автомобили-самосвалы ГАЗ-САЗ-53Б. Габаритные размеры блок-порции 1750Ч650Ч700 мм, а средняя масса отделяемой порции корма составила 530 кг.

Производственные испытания рабочего органа погрузчика позволили определить продолжительность рабочего цикла погрузчика на выемке силоса и сенажа, средние значения которой равны соответственно 48,0 с и 53,6 с.

Продолжительность основных операций технологического процесса выемки с учетом совмещения некоторых подъемно-транспортных операций представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Диаграмма продолжительности рабочего цикла погрузчика

Как видно из рисунка, значительную долю затрат времени погрузочного цикла составляют длительность операций подъезда к бурту с внедрением вил в кормовой массив и отделения порции корма резанием по фронтальной и боковым поверхностям.

Эти операции являются определяющими производительность погрузчика, средние значения которой составили 28,7 т/ч на выемке силоса и 22 т/ч - на выемке сенажа.

Экономическая эффективность производства и использования нового рабочего органа к универсальным фронтальным погрузчикам рассчитывалась в сравнении с серийным рабочим органом КСМ-01 "аллигатор". Применение нового рабочего органа позволяет снизить энергозатраты на 14,3 %, а годовая экономия составит 160246,95 руб. для хранилища объемом 3000 т.

Общие выводы