К вопросу обоснования конструктивных параметров механической установки с упруго-жесткими несущими элементами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

К ВОПРОСУ ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С УПРУГО-ЖЕСТКИМИ НЕСУЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Курасов Владимир Станиславович

д-р техн. наук, профессор

Соколенко Оксана Николаевна

канд. техн. наук, старший преподаватель

Основной причиной отставания развития животноводческого сектора РФ ниже уровня его генетического потенциала является нарушение технологического процесса содержания и откорма сельскохозяйственных животных и птицы, из-за недостатка традиционных кормов. В связи с этим возникла необходимость разработки круглогодичного производства дополнительных кормов, позволяющая сбалансировать кормовые рационы на протяжении всего года. Этим требованиям отвечает гидропонный метод выращивания зеленых кормов (ГЗК). Анализ технологий и средств механизации производства ГЗК позволяет утверждать, что действующие в настоящее время установки отличаются сложностью в изготовлении, дорогостоящие и требуют для их работы большого числа дополнительных механизмов. В ФГБОУ ВО «КГМТУ» разработана одноярусная гидропонная установка с дуговыми направляющими и упруго-жесткими несущими элементами, в которой закладка посевного материала и выгрузка выращенного ГЗК осуществляются под действием сил тяжести без дополнительных трудовых затрат и механизмов. На основании проведенного анализа конструктивных особенностей предложенной установки, было выявлено, что в рассматриваемой системе возможно возникновение параметрических резонансов, с целью предотвращения которых проведено исследование устойчивости движения лотка. Движение лотка рассматриваемой гидропонной установки описывает классическое уравнение Матье, содержащее два параметра а и q. Дальнейшие исследования областей устойчивых и неустойчивых решений в плоскости параметров а и q представляются диаграммой Айнса - Стретта.

В результате проведенных расчетов определен диаметр сечения несущего элемента (d=5 мм), обеспечивающий надежную работоспособность и стабильность гидропонной установки в целом

Ключевые слова: ГИДРОПОННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ КОРМ (ГЗК), ОДНОЯРУСНАЯ ГИДРОПОННАЯ УСТАНОВКА, ДУГОВЫЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ, РЕЗОНАНС, ДВИЖЕНИЕ ЛОТКА, УРАВНЕНИЕ МАТЬЕ, НЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

Основной целью активно развиваемой в настоящее время мировой внешнеполитической стратегии США и большинства европейский стран, являются, так называемые, процессы сдерживания развития науки, агропромышленного и военного комплексов Российской Федерации, а также ее государственной, финансовой и банковской сфер. Особо уязвимой, в данной ситуации, является макрологистическая система агропромышленного комплекса РФ, ввиду наличия, до недавнего времени, в своей структуре, глубоких и устойчивых внешнеэкономических связей.

Благодаря проводимой государством политики импортозамещения, открылись скрытые возможности аграрного потенциала РФ, позволяющие обеспечить продовольственную безопасность государства. Однако уровень производства продукции растениеводства и животноводства в настоящее время значительно ниже генетического потенциала сельскохозяйственных культур и животных. Особенно ярко такое отставание прослеживается в животноводческом секторе. гидропонный установка корм механизация

Основной причиной такого положения является нарушение технологического процесса содержания и откорма сельскохозяйственных животных и птицы, из-за недостатка традиционных кормов, концентрированных комбикормов и витаминов [1]. В связи с этим возникла необходимость разработки круглогодичного производства дополнительных кормов, позволяющая сбалансировать кормовые рационы на протяжении всего года. Этим требованиям отвечает гидропонный метод выращивания зеленых и белковых кормов [2].

По данным фирмы «Элеусис. С.А.» (Австрия) гидропонный зеленый корм (ГЗК) в 6 - 8 раз дешевле травяной муки, в 5 - 6 раз комбикорма и в 3 раза сена. ГЗК содержит требуемые питательные вещества и витамины, хорошо поедается и усваивается, является экологически чистой продукцией. Производство этих кормов не зависит от времени года и может осуществляться как в закрытом помещении, так и на открытом пространстве, в зависимости от климатических условий местности [2, 3].

В нашей стране выращивание ГЗК началось в 30-е годы прошлого века, но до настоящего времени сдерживается недостатками проведения технологических процессов и низким уровнем их механизации. В таких странах как Австрия, Испания, Англия, Япония гидропонный метод выращивания кормов является одним из основных в кормопроизводстве. Экспортируемые этими странами гидропонные установки являются довольно дорогостоящими, что исключает возможность их приобретения, особенно в сложившейся в настоящее время экономической ситуации [4, 5].

На протяжении последних пятнадцати лет в ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет» (ФГБОУ ВО «КГМТУ»), а в последние два года совместно с ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ), ведутся исследования, целью которых является разработка комплексных научно-технических основ создания средств механизации производства гидропонных кормов, обеспечивающих оптимальные конструктивно-технологические решения условий протекания технологических процессов, существенно снижающие энерго- и материалоемкость, трудовые затраты и обеспечивающие экономическую эффективность их применения. [6, 7, 8]

Постановка задачи Произвести анализ конструкции гидропонной установки, разработанной в ФГБОУ ВО «КГМТУ» (по А.С. №1512528, №1628983, 1732872), с целью определения возможных технологических и конструктивных недостатков, негативно влияющих на отдельные элементы системы в процессе эксплуатации [9,10,11]. С целью определения характера движения рассматриваемой системы необходимо составить уравнение движения лотка. Необходимо также определить параметры, характеризующие динамическую устойчивость рассматриваемой системы, позволяющие определить конструктивные размеры гидропонной установки, а также обеспечить ей надежную работоспособность в процессе эксплуатации.

Результаты исследований Анализ технологий и средств механизации производства гидропонной продукции позволяет утверждать, что действующие в настоящее время установки отличаются сложностью в изготовлении и эксплуатации, дорогостоящие и требуют для их работы большого числа дополнительных механизмов. Закладка посевного материала и снятие урожая производится вручную, что приводит к увеличению стоимости выпускаемой продукции.

В ФГБОУ ВО «КГМТУ» разработан ряд гидропонных установок ярусного типа. В этих установках устранены отдельные конструктивные и технологические недостатки ранее разработанных механических систем [6, 7, 8]. Отдельные технологические операции в них осуществляются под действием сил тяжести без дополнительных трудовых затрат и механизмов. Последнее достигается благодаря конструктивным особенностям системы установки. При проектировании этих установок преследовалась цель: снизить ресурсозатраты на производство готовой продукции.

Итак, за проектную основу приняты одно- и двухъярусные установки с жесткими, упругими и упруго-жесткими несущими элементами, как наиболее приемлемые с точки зрения экономии энергоносителей, снижения ресурсозатрат, а также возможности локального обогрева [12].

На рисунке 1 представлена механическая модель гидропонной установки. Лоток для выращивания гидропонной продукции с конструктивными элементами, допускающими разгрузку урожая и возврат в исходное рабочее положение под действием сил тяжести без дополнительных энергетических и трудовых затрат, устанавливается на дуговые направляющие CD и C^/D^/. Дуговые направляющие крепятся к жестким стержням AB и A^/B^/ с помощью таких же жестких стержней CB, BD и C^/B^/, B^/D^/ шарнирно. Вся рассмотренная система подвешивается к упругим элементам EAF и E^/A^/F^/, которые в свою очередь, шарнирно крепятся к перекрытию в точках E, F и E^/ F^/. Дуговые направляющие, а также точки крепления системы к перекрытию соединены между собой жесткими связями EF и E^/F^/. Через точки А и А^/ проходит система полива Q - Q^/. Полив производится методом дождевания. На жесткие связи EF и E^/F^/ укладывается система облучения M - M^/ с лампами ДРЛ - 125. В качестве жестких стержней, в зависимости от силы тяжести лотка с урожаем, рекомендуется использовать металлические прутки диаметром 3 - 5 мм, а в качестве упругих элементов в опытных установках использовалась стальная проволока диаметром 5 мм с разрывным усилием 1400 - 2000 Н/мм², с учетом того, что вес лотка с урожаем может изменяться в пределах 700 - 1400 Н. Угол наклона лотка к горизонту в процессе выращивания урожая ц_{0 =} 3 - 5⁰ достигается незначительным смещением точек подвеса A, A^/ от вертикальной плоскости симметрии установки, т.е. расстояние S₁ незначительно превышает S₂ [12].

Установка работает следующим образом. На зафиксированный под углом ц₀ к горизонту лотком производится посев зерна равномерным слоем. После посева центр тяжести лотка с семенами для проращивания располагается на уровне близком к оси цилиндрических секторов с некоторым смещением в сторону опрокидывания за счет начального угла наклона сетки. Угол наклона предусматривает свободное стекание излишков воды или питательного раствора, а также удаление вредных вещества, осевших в корневой системе и вызывающих грибковые заболевания растений.

С ростом растений общий центр тяжести лотка и урожая смещается в вертикальном и горизонтальном направлениях. К моменту созревания урожая (продолжительность выращивания ГЗК 7 - 8 суток) общий центр масс системы «лоток - урожай» располагается выше оси цилиндрических секторов со смещением в сторону опрокидывания.

При срабатывании фиксаторов (на рисунке 1, фиксатор не указан) накопленный в процессе роста растений запас потенциальной энергии системы «лоток - урожай» преобразуется в кинетическую энергию движения, т.е. происходит качение без скольжения цилиндрических секторов по дуговым направляющим.

Дуговые направляющие способствуют непрерывному уменьшению скорости движения лотка. При повороте лотка на угол 90⁰ скорость его движения обращается в нуль, т.е. происходит плавная разгрузка зеленой массы в транспортное средство. После разгрузки урожая центр масс лотка располагается ниже оси цилиндрических секторов. Под действием сил тяжести лоток возвращается в исходное рабочее положение с последующим фиксированием.

При малых возмущениях лотков в рассматриваемой системе возможно возникновение параметрических резонансов, т.е. перекачки энергии поперечных колебаний в энергию продольных. С целью предотвращения перекачки энергии поперечных колебаний в энергию продольных возникает необходимость исследовать устойчивость движения лотков [12]. Обозначим расстояние между точками подвеса установки к перекрытию через l, длину жесткого стержня l₁, а массу лотка с урожаем m. Поместим начало координат в точку Е, ось y направим вертикально вниз, а ось x по направлению от точки Е к точке F. Тогда расстояние EF будет равно EF=l=S₁+S₂. Эквивалентная расчетная схема установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 1 Механическая модель установки с упруго-жесткими несущими элементами и дуговыми направляющими

Рисунок 2 Расчетная схема механической модели установки

На рисунке 2 используются следующие обозначения: mg - сила тяжести центра масс лотка с урожаем, - усилие в жестком стержне, x и y - отклонение центра масс лотка с урожаем по отношению к началу координат в произвольный момент времени t, ц - угол отклонения жесткого стержня от вертикали в произвольный момент времени t, y_ст - статический прогиб упругого элемента, y₁ - вертикальная динамическая составляющая, - натяжения ветвей упругого элемента принимаются равными, т.к. смещение точки подвеса А жесткого стержня от вертикальной плоскости симметрии незначительно. Исходя из второго закона Галилея - Ньютона дифференциальные уравнения движения лотка относительно осей координат х и y имеют вид

(1)

Координаты центра масс лотка с урожаем соответственно равны

(2)

Продифференцировав соотношения (2) дважды по времени подставим вторые производные в уравнения (1), исключив при этом, N получим

(3)

Как показали опыты, проведенные в лабораторных условиях, на установках с параметрами близкими к реальным, что колебания лотков устойчивы при ц=5 - 20⁰. Полагая sinц=ц соотношение (3) в виде

. (4)

Второе дифференциальное соотношение получим из условия равновесия шарнирного узла А. Это соотношение имеет вид

(5)

Определим N из второго уравнения системы (1) и подставив полученное выражение в (5), при этом учтём второе соотношение, в (2). В результате получаем

(6)

где

Малость угла ц позволяет отбросить в полученном соотношении (6) нелинейный член и записать следующее дифференциальное уравнение относительно y₁

(7)

где .

Решение уравнения (7) при начальных условиях t=0, y₁=y_ст и имеет вид

. (8)

Подставляем решение уравнения (8) в соотношение (4). В результате подстановки получаем дифференциальное уравнение для определения ц

. (9)

Полагая , получаем классическое уравнение Матье

(10)

где

Уравнение (10) содержит два параметра - а и q. Дальнейшее исследование областей устойчивых и неустойчивых решений в плоскости а и q хорошо изучены и представляются диаграммой Айнса - Стретта (рисунок 3). Эта диаграмма полностью освобождает от решения уравнения Матье.

Практическая ценность проведенного расчета заключается в том, что достаточно составить уравнение (10), т.е. найти значения параметров а и q, после чего получить ответ об устойчивости или неустойчивости системы с помощью диаграммы Айнса - Стретта. А далее, если система окажется устойчивой, можно сделать вывод и о конструктивных размерах установки.

Рисунок 3 Диаграмма Айнса-Стретта

Рассмотрим пример. Пусть l=45см, l₁=15см, m=100 кг (рисунок 3). Определим натяжение Т₀ упругого элемента АЕ

(11)

Удлинение этого элемента под действием сил тяжести натяжения Т₀ будет определяться как

(12)

где Е=2·10¹¹ - модуль упругости стали, Па;

F - площадь сечения упругого элемента, м².

Эта площадь сечения можно определить из условия прочности , где - допускаемое напряжение пружинной стали, МПа.

Подставляя последнюю формулу в уравнение (12) в результате находим

Угол б определим, как Подставляя численные значения находим cosб=0,098, откуда б=3,62⁰.

Статическую деформацию упругих элементов АЕ и АF определим по формуле После подстановки численных данных получаем y_ст=0,0142 м =1,42 см.

Зная статическую деформацию, определим в какой зоне диаграммы Айнса - Стретта находится точка с координатами

Полученные значения а и q согласно диаграммы Айнса - Стретта находятся в зоне устойчивости движения лотка. Далее определим сечение несущего элемента ЕАF и его диаметр. Согласно формулы (11) и условия прочности находим площадь сечения

и диаметр сечения

Выводы

1. На основании проведенного анализа конструктивных особенностей предложенной установки, было выявлено, что в рассматриваемой системе возможно возникновение параметрических резонансов, с целью предотвращения которых проведено исследование устойчивости движения лотка.

2. Движение лотка рассматриваемой гидропонной установки описывает классическое уравнение Матье, содержащее два параметра а и q. Дальнейшее исследование областей устойчивых и неустойчивых решений в плоскости параметров а и q представляются диаграммой Айнса - Стретта.

3. В результате проведенных расчетов определен диаметр сечения несущего элемента (d=5 мм), обеспечивающий надежную работоспособность и стабильность гидропонной установки в целом.

Список литературы

1. Калетник, Г.Н. Инженерные проблемы производства гидропонного зеленого корма / Г.Н. Калетник, О.Н. Соколенко // Науковий вісник Національного університету біоресурсів і природокористування України. Серія: техніка та енергетика АПК: зб. наук. пр. К.: НУБиП, 2010. Вип. 144. Ч. 3. 2010. С. 415.

2. Соколенко, О.Н. Обоснование параметров работы и конструкции установки для выращивания зеленых кормов гидропонным способом: дис… канд. техн. наук: 05.20.01 / О.Н. Соколенко; Кубанский ГАУ. Краснодар, 2015. 154 с.

3. Кругляков, Ю.А. Оборудование для непрерывного выращивания зеленого корма гидропонным способом / Ю.А. Кругляков. М.: ВО Агропромиздат, 1991. 79 с.

4. Костюченко, В.А. Агромеханическое обоснование машин для производства гидропонного зеленого корма: монография / В.А. Костюченко, В.М. Булгаков, Н.А. Свирень, В.В. Дрига. Кировоград: КОД, 2010. 320 с.

5. Соколенко, О.Н. Анализ существующих средств механизации для производства гидропонного зеленого корма / О.Н. Соколенко // Рыбное хозяйство Украины: материалы VІ научно-практической конференции «Морские технологии: проблемы и решения - 2008». Керчь: КГМТУ, 2008. Вып.7. С. 81…83.

6. Кирдань, Е.Н. Динамика двухъярусных механических гидропонных установок с жесткими несущими элементами / Е.Н. Кирдань, С.Н. Пилипенко, О.Н. Соколенко // Механизация сельскохозяйственного производства: сб. науч. трудов. Симферополь: КГАУ, 1999. Вып.59. Ч.2. С. 168.

7. Костюченко, В.А. Исследование динамики трехъярусной гидропонной установки с упругими несущими элементами и прямолинейными направляющими/ В.А. Костюченко, А.С. Виннов, О.Н. Балака // Сб. научн. трудов КМТИ «Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий». Керчь: КМТИ, 2001. С. 36.

8. Пат. 85260 Україна, МПК (2006.01) А01G31/02. Пристрій для гідропонного вирощування зеленого корму / О.М. Соколенко (Україна). № u201307329; заявл. 10.06.2013; опубл. 11.11.2013, Бюл. №21.

9. А.С.№1512528 СССР, А01G31/02. Установка для выращивания растений на зеленый корм / В.А. Костюченко, Н.П. Ермаков (СССР). № 4330605; заявл. 6.11.1987; опубл. 8.06.89, Бюл. №15.

10. А.С.№1628983 СССР, А01G31/02.Установка для производства гидропонного зеленого корма / В.А. Костюченко (СССР). № 469649; заявл. 12.06.88; опубл. 22.10.90, Бюл. №19.

11. А.С.№1732872 СССР, А01G31/02.Установка для выращивания растений на зеленый корм / В.А. Костюченко, П.П. Фоменко (СССР). № 4796880; заявл. 8.10.90; опубл. 15.01.92, Бюл. №1.

12. Калетник, Г.Н. К вопросу устойчивости движения лотков механических гидропонных установок без направляющих с упруго-жесткими несущими элементами / Г.Н. Калетник, О.Н. Соколенко // Техніка і технології АПК: науково ? виробничий журнал. Киев, 2010. № 9 (12). С. 31…33.

Размещено на Allbest.ru