Повышение эффективности погрузки зерна путем обоснования параметров барабанного питателя погрузчика непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

повышение эффективности погрузки зерна путем обоснования параметров барабанного питателя погрузчика непрерывного действия

Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Сизов Сергей Сергеевич

Саратов 2011

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

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Хакимзянов Рустам Рафитович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бойков Василий Михайлович

кандидат технических наук, старший

научный сотрудник

Матюшин Петр Алексеевич

Ведущая организация - ГНУ НИИСХ Юго-Востока (г. Саратов).

Защита диссертации состоится 1 апреля 2011 г. в 12 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, д. 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».

Отзывы направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1.

Автореферат разослан 24 февраля 2011 г. и размещен на сайте: www. sgau.ru 25 февраля 2011 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских

и кандидатских диссертаций Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производство зерна в Российской Федерации является основой всего продовольственного комплекса и наиболее крупным направлением растениеводства. В настоящее время в стране под посевами зерновых культур занято более 47,6 млн га земли, в Саратовской области - 2,5 млн га.

В течение производственного цикла, от уборки с полей до закладки на хранение, зерно подвергается многочисленным перемещениям и погрузочно-разгрузочным операциям, на которых используются погрузчики как непрерывного, так и периодического действия. Последние, как правило, связаны с погрузкой и перемещением незначительных объемов груза.

Одним из основных элементов погрузчиков непрерывного действия является грузозахватное устройство - питатель, благодаря которому происходят захват и последующее транспортирование груза. По работе питателя можно судить об эффективности всего погрузчика.

У существующих конструкций процесс погрузки сопровождается значительными затратами энергии. Энергоемкость погрузчиков со шнековым питателем составляет 200-250 Дж/кг, со скребковым - 260-280 Дж/кг. Это свидетельствует о том, что конструктивно-технологические схемы питателей недостаточно исследованы относительно снижения энергоемкости и существует резерв в совершенствовании конструкции рабочих органов питателей и определении оптимальных режимных параметров. В связи с этим задача по созданию рабочих органов питателей погрузчиков непрерывного действия, позволяющих производить погрузку зерна из бурта с минимальной энергоемкостью, является актуальной.

Цель работы - повышение эффективности погрузки зерна погрузчиком непрерывного действия путем оптимизации параметров барабанного питателя.

Объект исследований - технологический процесс погрузки зерна погрузчиком непрерывного действия с барабанным питателем.

Предмет исследований - закономерности изменения энергоемкости процесса погрузки зерна погрузчиком непрерывного действия при различных параметрах барабанного питателя.

Методика исследования. Теоретические исследования были выполнены на основе известных законов прикладной математики и классической механики. Экспериментальные исследования проводили с использованием методов планирования многофакторного эксперимента и физического моделирования. Исследования физико-механических свойств проведены с применением однофакторного планирования на основе существующих частных методик и ГОСТов. Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики и регрессионного анализа.

Научная новизна. Обоснована новая конструктивно-технологическая схема барабанного питателя. Получена математическая модель процесса взаимодействия предлагаемого питателя с зерном. Получены аналитические и экспериментальные зависимости производительности и энергоемкости процесса погрузки, позволяющие обосновать основные режимные и конструктивные параметры питателя, обеспечивающие наибольшую производительность при минимальных энергозатратах.

Практическая значимость. На основе проведенных исследований разработан погрузчик зерна (патент на полезную модель Российской Федерации № 88659).

Полученные математические выражения могут быть использованы для определения параметров барабанного питателя погрузчика зерна на стадии проектирования. Предлагаемый барабанный питатель к погрузчику непрерывного действия испытан в КХ «Рубин» Питерского района Саратовской области.

Апробация. Результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ им. Н.И. Вавилова в 2008-2010 гг., на Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.В. Красникова (СГАУ, 2008), на международных научно-практических конференциях «Вавиловские чтения - 2009», «Вавиловские чтения - 2010» (СГАУ, 2009, 2010), на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию профессора В.Ф. Дубинина (СГАУ, 2010).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах общим объемом 2,69 печ. л. (из них лично соискателю принадлежат 1,44 печ. л.), в том числе 2 статьи в изданиях, включенных в «Перечень ведущих журналов и изданий» ВАК РФ, объемом 0,7 печ. л. (из них лично соискателю принадлежат 0,34 печ. л). Получен патент на полезную модель РФ № 88659. Остальные работы изданы в сборниках научных трудов, сборниках материалов международных научно-практических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 страницах компьютерного текста, содержит 17 таблиц, 71 иллюстрацию и 5 приложений. Список литературы включает в себя 108 наименования, в том числе 10 на иностранных языках.

На защиту выносятся следующие научные положения:

· конструктивно-технологическая схема барабанного питателя, на которую получен патент на полезную модель РФ № 88659;

· аналитические выражения для определения производительности, мощности, затрачиваемой на привод, и обоснования режимных и конструктивных параметров барабанного питателя;

· регрессионные модели и экспериментальные зависимости, описывающие влияние режимных и конструктивных параметров на мощность и производительность барабанного питателя.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» приведен анализ технологий возделывания и средств механизации послеуборочной обработки зерна. Рассмотрены конструктивно-технологические схемы существующих погрузчиков зерна. Представлены классификация питателей и анализ их работы с позиций энергоемкости, производительности и сохранности груза.

Проведенный анализ показал, что процесс взаимодействия рабочих органов питателей с зерном изучен недостаточно. Данными исследованиями занимались А.О. Спиваковский, П.С. Козьмин, А. М. Григорьев, В. В. Красников, А.Г. Рыбалко, В.В. Деревенко, В.В. Коробов, В.Д. Шнейкин, П.И. Павлов, В.В. Криловецкий и др.

В соответствии с целью, поставленной в диссертации, сформулированы задачи исследований:

· на основании анализа имеющихся исследований разработать и обосновать перспективную конструктивно-технологическую схему погрузчика зерна;

· теоретически исследовать процесс погрузки зерна и получить кинематические и силовые зависимости, связывающие конструктивные и режимные параметры питателя с показателями эффективности: мощностью на привод барабана и скребкового транспортера, производительностью;

· получить экспериментальные зависимости оптимальных режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих минимальные удельные энергозатраты;

· провести производственные испытания погрузчика зерна с барабанным питателем на зерне пшеницы, а также дать технико-экономическую оценку его работы.

Во второй главе «Теоретические исследования и основы расчета рабочего процесса барабанного питателя» приведены предлагаемая конструктивно-технологическая схема барабанного питателя, теоретический анализ рабочего процесса и обоснование основных параметров оптимизации.

Погрузчик представляет собой базовую машину 1 (рис. 1, а), на которую навешена рама 2 с прикрепленными к ней основными рабочими органами: скребковым транспортером 3 и барабаном 4. С помощью последнего осуществляются захват порции груза и перемещение ее по кожуху 9 к скребковому транспортеру 3.

погрузчик барабанный питатель зерно

а б

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема погрузчика зерна (а) и конструктивная схема барабана (б): 1 - базовая машина; 2 - рама; 3 - скребковый транспортер; 4 - барабан; 5 - вал; 6 - луч; 7 - планка; 8 - эксцентриковый механизм; 9 - кожух; 10, 11 - цепная передача; 12 - карданная передача

Скребковый транспортер состоит из наклонного отгрузочного и горизонтального сборного участков. Длина горизонтального участка равна ширине захвата питателя. Барабан выполнен по типу мотовила и имеет вал 5 (рис. 1, б), лучи 6 с шарнирно закрепленными планками 7, эксцентриковый механизм 8, который обеспечивает вертикальное расположение планок 7 при вращении барабана. Привод скребкового транспортера и барабана осуществляется от ВОМ трактора посредством цепной 10, 11 и карданной 12 передач.

При работе погрузчик, двигаясь поступательно, упирается в бурт. При этом все рабочие органы переведены в рабочее положение. Планки барабана, внедряясь вертикально в бурт, захватывают порцию зерна и перемещают её по кожуху к скребковому транспортеру. За счет инерционных сил груз равномерно распределяется по всей ширине транспортера. Последний перемещает груз в транспортное средство. Наличие в конструкции эксцентрикового механизма позволяет планкам при его вращении сохранять вертикальное положение и, как следствие, исключить ударные нагрузки на зерно.

Особенностью конструкции является то, что барабан осуществляет подачу материала к скребковому транспортеру по всей ширине захвата питателя. Порция зерна от места захвата до разгрузки проходит путь по минимальной траектории. Таким образом, сокращается время взаимодействия рабочего органа с зерном.

Кинематическое исследование позволило установить законы движения рабочих органов питателя и получить исходные данные для определения его производительности, а также для силового и энергетического расчетов.

При поступательном движении погрузчика со скоростью (м/с) и вращении барабана с угловой скоростью щ (рад/с) точка В в плоскости Oxy (рис. 2) за время t (с) совершит относительное движение на угол б = щt и переносное движение , где Sп - путь, который проходит питатель за время t, м. Кривая, получаемая траекторией движения планки барабана, представляет собой трохоиду (рис. 3), перемещаясь по которой точка В движется с абсолютной скоростью и горизонтальной составляющей скорости конца планки . Параметрические уравнения движения данной точки будут иметь вид:

x = rбsin щ t + хп t; y = rб(cos щ t + 1), (1)

где rб - диаметр барабана, м.

Для определения производительности барабана необходимо рассчитать объем V порции зерна, захватываемой одной планкой:

, (2)

где S - площадь сечения фигуры, получаемой при отделении порции груза, м2; lп - длина планки, м.

Рис. 2. Схема к кинематическому исследованию барабанного питателя



Рис. 3. Траектория движения планки барабана

Площадь S фигуры, образованной двумя линиями между точками А и В (рис. 4), можно определить как разность интегралов:

(3)

где первый интеграл можно рассматривать как площадь треугольника АВС, а второй интеграл представляет собой площадь, ограниченную сверху траекторией движения нижней кромки планки.

Рис. 4. Схема для определения объема порции зерна, захватываемой одной планкой барабана

Подставив в выражение (3) параметрическое уравнение (1), окончательно определим площадь фигуры, получаемой при отделении порции груза:

(4)

где t1 - время нахождения планки в слое зерна, с; t0 - время, когда планка вступает в работу, с; цд - угол естественного откоса зерна в движении, град.

Производительность барабана Q:

, (5)

где с - плотность зерна, кг/м3.

Окончательно с учетом выражений (4) и (2) получим:

(6)

.

Взаимодействие питателя с грузом включает в себя два основных процесса: отделение груза от основного массива и транспортирование его к месту разгрузки. При проведении исследований были рассмотрены три формы планок: плоская, Г-образная и профилированная по дуге окружности.

Для определения сопротивлений, возникающих при отделении и транспортировании груза, рассмотрим момент входа плоской планки в слой зерна (рис. 5, а) и непосредственно процесс его транспортирования (рис. 5, б).

В момент входа в слой зерна на планку действуют следующие силы: тяжести mg; инерции Fиx , Fиy, вызванной перемещением объема порции; реакции опоры со стороны планки N; силы трения, вызванного перемещением объема груза относительно планки Fтр; сила Кориолиса Fк.

Усилие, необходимое для внедрения плоской планки в слой зерна, выразим через силу сопротивления внедрению с учетом силы трения:

, (7)

где м - коэффициент внешнего трения; m - масса порции груза, кг; б2 - угол между горизонталью и радиусом, град.; усж - напряжение сжатия слоя зерна, кПа; k - толщина планки, мм.

а б

Рис. 5. Схема действия сил на планку в момент входа в слой зерна (а) и при транспортировании порции зерна (б)

Анализ выражений для трех форм планок показал, что минимальное сопротивление внедрению оказывает плоская планка, поэтому для определения суммарного сопротивления будем использовать выражение (7).

В процессе транспортирования порции груза на планку помимо перечисленных будут действовать силы сопротивления вертикального Fв и горизонтального Fг слоев материала (см. рис. 5, б).

Так как сопротивления перемещению для всех форм планок различаются незначительно, то окончательно представим его выражением для плоской планки:

, (8)

где рг, рв - давление горизонтального и вертикального слоев соответственно, Па; Аг, Ав - площадь поверхности горизонтального и вертикального слоев соответственно, м2; hп - высота захватываемого слоя зерна, м; fвн - коэффициент внутреннего трения.

Суммарная мощность N, потребляемая барабанным питателем:

. (9)

Мощность, потребляемую барабаном, определим как произведение силы сопротивления отделяемого и транспортируемого слоя к абсолютной скорости движения частицы :

(10)

Окончательно мощность на привод барабана:



. (11)

Мощность Nтр, затрачиваемая на привод скребкового транспортера при транспортировании груза:

(12)

где Ттр - крутящий момент на валу скребкового транспортера, Н·м; щзв - угловая скорость ведущей звездочки, рад/с.

В результате энергоемкость Е барабанного питателя:

E = N/Q, (13)

где N (Вт) и Q (кг/с) - соответственно мощность и производительность барабанного питателя.

Расчетные формулы, учитывающие конструктивные и режимные параметры питателя и физико-механические свойства груза, позволили получить минимальные значения удельной энергоемкости барабанного питателя: производительности 55 кг/с соответствует энергоемкость 43 Дж/кг.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлены методики исследования физико-механических свойств зерна, лабораторно-полевых исследований, описание экспериментальной установки и производственного образца.

Лабораторные исследования проводили на экспериментальной установке (рис. 6), позволяющей моделировать рабочий процесс и изменять в заданных пределах режимные и конструктивные параметры питателя.



Рис. 6. Схема экспериментальной установки: 1 - рама; 2 - тележка; 3 - барабан; 4 - скребковый транспортер; 5 - тензометрический вал барабана; 6 - тензометрический вал скребкового транспортера; 7 - механизм привода тележки; 8 - механизм обратного хода привода тележки; 9, 10, 11, 12 - электродвигатели; 13, 14, 15, 16 - редукторы; 17, 18- приводные цепные передачи; 19 - трос; 20 - ролики; 21 - усилитель; 22 - осциллограф; 23 - пульт управления

Экспериментальная установка была оснащена регистрирующей и измерительной аппаратурой: тензодатчиками для измерения крутящего момента на валу барабана и скребкового транспортера, датчиками частоты вращения приводных валов рабочих органов, усилителем ZET-410, осциллографом ZET-210 и ЭВМ.

При экспериментальных исследованиях за критерии оптимизации были приняты крутящие моменты на валу барабана и скребкового транспортера, а также производительность.

Экспериментальные исследования проводили с зерном яровой мягкой пшеницы Саратовская 55. В ходе лабораторно-полевых исследований руководствовались методиками, изложенными в ГОСТ 12036-85, ГОСТ 3040-55, ГОСТ 12038-84.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований физико-механических свойств зерна, лабораторно-полевых исследований и производственных испытаний барабанного питателя.

Установлено влияние режимных и конструктивных параметров на показатели работы барабанного питателя. Получены уравнения регрессии и соответствующие им графические зависимости, описывающие изменение энергетических параметров (крутящие моменты на валу барабана Тб и скребкового транспортера Ттр, мощность на привод N) от формы планок барабана о, частоты вращения барабана nб и скорости движения скребкового транспортера хскр.

Зависимость крутящего момента на валу барабана от его частоты вращения, скорости движения скребкового транспортера и формы планки может быть представлена уравнением, которое в раскодированном виде запишется следующим образом:

Tб = 943,45 - 133,47nб - 1920,89хскр + 15,66о + 3,28nбхскр -

- 0,65nбо - 10хскро + 99,23nб2 + 1058х2скр + 12,58о2. (14)

Для получения координат оптимума и изучения свойств поверхности отклика в окрестностях оптимума проводили каноническое преобразование полученной математической модели. Поверхность отклика исследовали с помощью двумерных сечений, некоторые из них приведены на рис. 7.



а б

Рис. 7. Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие: а - крутящий момент на валу барабана; б - крутящий момент на валу скребкового транспортера при частоте вращения барабана nб и скорости движения скребкового транспортера хскр

Рассматривая влияние режимных и конструктивных параметров на крутящие моменты приводного вала барабана и скребкового транспортера (см. рис. 7), можно установить оптимальные значения исследуемых параметров, при которых крутящие моменты на валах имеют минимальные значения. В результате получены следующие оптимальные значения факторов: частота вращения барабана nб = 0,715 с-1, скорость движения скребкового транспортера хскр = 0,89 м/с, форма планки барабана - плоская. Крутящий момент при данных значениях на валу барабана Тб = 27…32 Н•м, на валу транспортера Ттр = 163 Н•м.

Производительность погрузки при указанных оптимальных кинематических и режимных параметрах питателя составила 55-57 кг/с. При увеличении значений nб с 0,8 до 1,2 с-1 и хскр с 0,95 до 1,1 м/с при плоской форме планки производительность увеличилась незначительно и составила 57-60 кг/с. Уменьшение данных параметров до 0,44 с-1 и 0,89 м/с соответственно вызывало снижение производительности до 32-37 кг/с.

Энергоемкость процесса погрузки зерна (рис. 8) предлагаемым барабанным питателем при оптимальных режимных и конструктивных параметрах (nб = 0,715 с-1; хскр = 0,89 м/с; форма планки - плоская) составила 44 Дж/кг.

а б

Рис. 8. Зависимость энергоемкости барабана (а) и скребкового транспортера (б) от частоты вращения барабана и скорости движения скребкового транспортера

Производственные испытания погрузчика зерна с барабанным питателем были проведены в КХ «Рубин» Питерского района Саратовской области на площадке временного хранения зерна.

В пятой главе «Технико-экономическое обоснование» приведен расчет экономической эффективности погрузчика непрерывного действия с барабанным питателем в сравнении с базовым погрузчиком.

Использование погрузчика непрерывного действия с барабанным питателем позволяет уменьшить прямые затраты на 35,84 %, приведенные затраты на 35,86 %, а также получить годовой экономический эффект 61,152 тыс. руб. за счет снижения энергозатрат питателя при годовом объеме работ 120 тыс. т.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ литературных источников и научных работ, связанных с вопросами технологий уборки зерновых и их последующей переработки и хранения, показал недостаточную эффективность существующих рабочих органов погрузчиков зерна, что приводит к высокой энергоемкости погрузки. Предложена новая конструктивно-технологическая схема барабанного питателя (патент на полезную модель № 88659), обеспечивающая захват материала из бурта, его транспортирование и последующую разгрузку, которая позволит снизить энергоемкость.

2. Теоретические исследования рабочего процесса позволили выявить кинематические и силовые зависимости, на основании которых получены аналитические выражения производительности (6), мощности на привод (9) и энергоемкости барабанного питателя (13), учитывающие конструктивные и режимные параметры питателя и физико-механические свойства груза. Производительности 55,6 кг/с соответствует энергоемкость 43 Дж/кг.

3. По результатам экспериментальных исследований получены математические модели (14) и связанные с ними графические зависимости (см. рис. 7), позволяющие оценить влияние конструктивных и режимных параметров питателя на критерии оптимизации. Зависимости носят квадратичный характер по исследуемым параметрам и имеют область оптимума. Получены оптимальные значения исследуемых параметров (частота вращения барабана nб = 0,715 с-1, скорость движения цепи со скребками скребкового транспортера хскр = 0,89 м/с, плоская форма планки), при которых крутящие моменты на валах барабана и скребкового транспортера равны соответственно 27-32 и 155-165 Н·м, производительность составила 55-57 кг/с.

4. Производственные испытания позволили установить эффективность погрузчика непрерывного действия с барабанным питателем при работе с буртами зерна высотой 1,5 м. При работе с зерном яровой мягкой пшеницы Саратовская 55 производительность питателя составила 55,6 кг/с, энергоемкость - 44 Дж/кг, энергоемкость погрузчика в целом - 165 Дж/кг. Внедрение предлагаемого питателя позволяет снизить приведенные затраты на 35,86 % и получить годовой экономический эффект 61,152 тыс. руб. Срок окупаемости - 1,88 года.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сизов, С. С. Погрузчик зерна / Р. Р. Хакимзянов, С. С. Сизов // Сельский механизатор. - 2010. - № 8. - С. 32-33 (0,31/0,15 печ. л.).

2. Сизов, С. С. Погрузчик зерна / Р. Р. Хакимзянов, С. С. Сизов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2010. - № 9. - С. 27-29 (0,38/0,19 печ. л.).

3. Сизов, С. С. Конструктивно-технологическая схема погрузчика зерна / С. С. Сизов // Молодые ученые - агропромышленному комплексу Поволжского региона : сб. науч. работ / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2007. - Вып. 4. - С. 128-130 (0,192 печ. л.).

4. Сизов, С. С. Методика лабораторных исследований зернопогрузчика непрерывного действия / Р. Р. Хакимзянов, С. С. Сизов // Вавиловские чтения - 2009 : матер. Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов : Научная книга, 2009. - С. 342-345 (0,37/0,19 печ. л.).

5. Сизов, С.С. Теоретическое исследование процесса взаимодействия барабанного питателя погрузчика непрерывного действия с зерном / Р.Р. Хакимзянов, С.С. Сизов // ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», Саратов, 2011.- 13 с., ил. Деп. в ВИНИТИ 18.02.11, № 72-В2011 (0,81/0,40).

6. Сизов, С. С. Результаты лабораторных исследовний погрузчика зерна / Р. Р. Хакимзянов, С. С. Сизов / Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию профессора В. Ф. Дубинина. - Саратов : КУБиК, 2010. - С. 217-219 (0,19/0,10 печ. л.).

7. Сизов, С.С. Силовой анализ барабанного питателя погрузчика непрерывного действия / Р.Р. Хакимзянов, С.С. Сизов // ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», Саратов, 2011.- 7 с., ил. Деп. в ВИНИТИ 18.02.11, № 73-В2011 (0,44/0,22).

8. Патент на полезную модель 88659 Российская Федерация МПК U1 В 65/16 А01D 57/01. Погрузчик зерна / Павлов П. И., Хакимзянов Р. Р., Сизов С. С., Съемщиков А. Е.; заявитель и патентообладатель Саратовский ГАУ. - 2008125553/22; заявл. 23.06.2008; опубл. 20.11.2009, Бюл. № 32.

Подписано в печать 24.02.2011. Формат 60Ч84 1/16.

Бумага офсетная. Гарнитура Times.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 056.

410030, г. Саратов, ул. Б. Горная, 1

ГОУ ДПО «СарИПКиПРО».

Размещено на Allbest.ru

...