Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований
1.1 Характеристика вермикомпоста и особенности его внесения 10
1.2 Технология и типаж машин для основного внесения удобрений 13
1.3 Классификация разбрасывающих рабочих органов 23
1.4 Анализ теоретических исследований технологического процесса центробежного разбрасывающего органа 32
1.5 Выводы 38
1.6 Цель и задачи исследования 40
2. Теоретическое исследование технологического процесса разбрасывающего рабочего органа
2.1. Конструктивно-технологическая схема разбрасывающего рабочего органа 41
2.2. Анализ процесса взаимодействия частиц вермикомпоста с поверхностью рабочего органа 45
2.2.1. Движение частицы по поверхности диска и лопасти 45
2.2.2. Анализ параметров схода частиц 56
2.3. Анализ параметров сектора распределения удобрений на поверхности почвы 59
2.3.1. Определение расположения сектора распределения на поверхности почвы 60
2.3.2. Равномерность распределения удобрений по ширине захвата 66
2.4. Определение мощности, потребной для привода разбрасывающего рабочего органа 71
2.5. Выводы 74
3. Программа и методика проведения лабораторных и полевых исследований
3.1. Методика исследований физико-механических свойств вермикомпоста 75
3.1.1. Программа исследований 76
3.1.1. Методика проведения исследований физико-механических свойств вермикомпоста 75
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований
3.2.1. Программа исследований 76
3.2.2. Описание экспериментальной установки 83
3.2.3. Методика определения показателей качества выполнения технологического процесса 89
3.3. Методика проведения однофакторных экспериментов 90
3.4. Методика многофакторного планирования 91
3.5. Программа и методика производственных испытаний 97
3.6. Выводы 99
4. Результаты экспериментальных исследований
4.1. Результаты исследований физико-механических свойств вермикомпоста 100
4.2. Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров на показатели распределения 105
4.3. Результаты многофакторного эксперимента 111
4.3.1. Обработка результатов плана 111
4.3.2. Оптимизация объекта исследования 115
4.4. Определение мощности на разбрасывание при оптимальных режимах работы 122
4.5. Выводы 124
5. Производственные испытания и технико -экономическая эффективность
5.1. Результаты производственных испытаний 125
5.2. Экономическая эффективность от реализации результатов исследований 129
5.3. Выводы 133
Общие выводы 13 5
Литература 137
Приложения 147
- Анализ теоретических исследований технологического процесса центробежного разбрасывающего органа
- Анализ процесса взаимодействия частиц вермикомпоста с поверхностью рабочего органа
- Описание экспериментальной установки
- Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров на показатели распределения
Введение к работе
Актуальность темы, В настоящее время необходимость использования высокоэффективных видов удобрений обусловлена критической обстановкой в сельскохозяйственном производстве, связанной со значительным снижением уровня плодородия почв. Одним из эффективных приёмов восстановления плодородия почвы является использование биотехнологии переработки органики с помощью гибрида красного калифорнийского червя. Получаемый при этом вермикомпост (биогумус) содержит биологически активные вещества, ускоряющие рост и развитие растений, обладающие фунгистатическими свойствами, подавляющими популяции патогенных микроорганизмов. Вермикомпост существенно влияет на сокращение сроков восполнения гумуса в почвах, быстрое восстановление их плодородия, повышение устойчивости почв к ветровой и водной эрозии.
Для внесения вермикомпоста применяют три способа: равномерное распределение по поверхности под культивацию; локальное внесение в рядки при посеве или посадке; опрыскивание растений водным раствором мелкой фракции вермикомпоста. Однако наибольший сохраняемый эффект достигается только при сплошном поверхностном распределении. Норма внесения при этом составляет 2...4 т/га, превышение которой приводит к угнетению растений, что определяет необходимую высокую равномерность распределения вермикомпоста по поверхности почвы.
По физико-механическим свойствам вермикомпост отличается от традиционных органических удобрений равномерным гранулометрическим составом без посторонних включений, повышенной липкостью, влагоёмкостью, слёжи-ваемостью при уплотнении.
Всё это создаёт значительные затруднения при решении задачи осуществления процесса внесения его в почву ввиду отсутствия специальных технических средств и неспособности существующих и экспериментальных рабочих органов машин для сплошного внесения твёрдых удобрений обеспечить распределение вермикомпоста в соответствии с агротехническими требованиями. В связи с этим разработка и исследование разбрасывающего устройства для внесения вермикомпоста является актуальной задачей, решение которой будет способствовать воспроизводству плодородия почв и повышению урожайности
и качества сельскохозяйственной продукции „___——.——
, С.Пмтрб*рг -0 Г)5
! оа too 7««v оо\
Цель работы. Повышение эффективности внесения вермикомпоста путем разработки и оптимизации конструктивно-режимных параметров разбрасывающего рабочего органа.
Объект исследований. Технологический процесс поверхностного внесения вермикомпоста разбрасывателем, оснащенным центробежно-бросковым рабочим органом:
Методика исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе известных законов и методов теоретической механики и математического анализа. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях в соответствии с действующими ОСТами и частными методиками с последующей обработкой результатов с применением законов математической статистики и теории многофакторного планирования с помощью ЭВМ.
Научная новизна. На основе разработанной классификации предложена новая конструктивно-технологическая схема рабочего органа к разбрасывающему устройству для внесения вермикомпоста (патент РФ №2225687). Получены аналитические выражения для определения количества удобрений в сечениях по ширине засеваемой полосы и получена теоретическая кривая ожидаемого распределения, экспериментальные зависимости показателей качества выполнения технологического процесса распределения от конструктивно-режимных параметров рабочего органа.
Практическая значимость. На основе исследований разработан рабочий орган к разбрасывающему устройству для внесения вермикомпоста, установлены его основные конструктивно-режимные параметры.
Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при изготовлении производственного образца разбрасывающего устройства для внесения вермикомпоста, испытанного в КФХ «Аметист» и КФХ «Вязовка» Калининского района Саратовской области.
Апробация. Материалы диссертации обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (Саратов 2001-2004 гг.); Поволжской межвузовской научно-технической конференции «Совершенствование маши-ноиспользования и технологических процессов в АПК» (Самара 2002 г.); на научно-технической конференции «Природоохранное обустройство террито-
рий» Московский государственный университет природообустройства (Москва 2002 г.), на научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов посвященной 115-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова, СГАУ им. Н.И.Вавилова, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ общим объёмом 0,94 печатных листа, из них принадлежит лично автору 0,72 пл. и описание патента РФ на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 57 рисунков, 8 приложений. Список использованной литературы включает 95 наименований.
Анализ теоретических исследований технологического процесса центробежного разбрасывающего органа
Плоский диск с радиально расположенными лопатками - один из наиболее простых центробежных рабочих органов. Такими дисками оснащены отечественные кузовные и навесные разбрасыватели. При 900 об/мин они обеспечивают ширину разбрасывания от 7 до 14 м и неравномерность рав 33 ную 24 - 25 %. На плоских дисках проведены многочисленные исследования, с целью выбора оптимальных конструктивных и кинематических параметров [50-52].
Первые теоретические исследования движения частицы удобрений вдоль лопатки были проведены академиком П.М. Василенко [53]. На первом этапе был сделан шаг в изучении процессов, происходящих на центробежном диске. Дифференциальное уравнение движения частицы в направлении лопатки имеет вид: т" = mm cosy -fmg±fmrco skivy -2fmco . (1.1) В уравнении (1.2) и далее верхний знак соответствует лопатке, отклоненной назад, а нижний - вперед. Так как rsinvj/ = rQsinv/Q = const и rcos\/ = , + TQ COSIJ/Q, TO уравнение (1.1) можно записать в виде: Г + 2ґ -ш2 г0шгСОЗ(Х ф)-ГЄ, (1.2) cos741,(p где ф - угол трения частиц о поверхность диска и лопаток, \/ - угол между радиусом и касательной к лопатке в данной точке, f = tgq - коэффициент трения. При нулевых начальных условиях решения уравнения (1.2) имеют вид: Абсолютная скорость частиц в момент схода с диска равна сумме переносной ие = гсо и относительной vT скоростей, т.е. о0 = и] + и] - 2иео, cos(90 - i/R ). (1.5)
Данная математическая модель имеет некоторые неточности. Уравнение движения не содержит параметр, характеризующий место подачи удобрений на диск (радиус подачи). Он заменён параметром го, названным расстоянием от начала лопатки до центра диска.
В зависимости от области подачи на диск возможны различные схемы распределения удобрений по поверхности почвы. [54] Если их подавать на диск вблизи его центра, рассев носит веерообразный характер (рис. 1.18 - а); причем настройкой разбрасывателя можно добиться симметричного распределения туков относительно оси рабочего органа. Если же удобрения поступают на диск у его края, они не успевают рассредоточиться и сходят компактной струёй (рис. 1. 18 - б) по одну сторону рабочего органа.
Использование двух дисков позволяет несколько увеличить захват (рис. 1.18 - в). Двухдисковые аппараты чаще всего применяют на кузовных разбрасывателях, так как при относительно большой ширине кузова трудно обеспечить нормальную подачу удобрений в одну точку.
Авторы М.Л. Кругляков, В.И. Александров и Г.П. Потапов исследовали процесс рационального питания центробежного аппарата [54].
Место подачи удобрений на диск определяется го, у, ро (рис. 1.19). Когда диск повернётся на некоторый угол от места подачи, первые частицы удобрений достигнут края диска и сойдут с него в точке А с абсолютной скоростью х , направленной под углом у к касательной к окружности в точке А.
Вся порция удобрений, захваченная лопаткой сбрасывается с диска непрерывным потоком по дуге АВ, ограничивающей сектор с центральным углом Ро, называемым рабочим углом разбрасывания, и распределяется по поверхности почвы в виде кольца. Чтобы получить максимальную величину захвата за один проход машины, необходимо обеспечить большой угол р0, не допуская при этом забрасывания удобрений на машину.
Величина Ро зависит от физико-механических свойств удобрений, числа и расположения лопаток, радиуса подачи и диаметра диска. Для определения угла схода частиц cote, т.е. угловое перемещение частицы в абсолютном движении до момента её схода с лопатки, необходимо из уравнения (1.3) найти время t) движения частицы по диску, считая г равным наружному диа метру диска R. После чего , cote = cot1+(vj/0-vi/R). (1.6) Дальнейшие исследования [50] были направлены на получение зависимостей более удобных для расчетов.В.Е. Patterson и A.R. Reece получили простые формулы для определения величины и направления скорости частицы, покидающей диск:
Анализ процесса взаимодействия частиц вермикомпоста с поверхностью рабочего органа
Движение материала по диску является сложным процессом, происходящим под действием сил, зависящих от многочисленных факторов. Удобрения из камеры измельчения подаются на равномерно вращающийся в горизонтальной плоскости диск на некотором расстоянии Го от центра вращения О с начальной скоростью г о= 0.
В данном случае силами, приложенными к частице в горизонтальной плоскости диска будут сила трения Fifing и центробежная сила переносного движения F" = mr0ct) [66, 67]. Окружная скорость частицы в данной точке диска Ve=roco. Условие равновесия имеет вид: тг0сс д - fmg = 0 Юдтіп = Vfe/r0 = min /3»следовательно nmin = (30/TC)V5 , (2.1) где f - коэффициент трения биогумуса о поверхность диска. Формула (2.1) определяет минимальную частоту вращения диска, при которой FTp Feu, и частица перемещается по поверхности диска до встречи с вращающейся вокруг центра О лопаткой. Для обоснования криволинейной формы лопасти рассмотрим рисунок 2.3. В первом случае (рис.2.3.а) рабочий орган имеет вращающиеся прямые радиальные лопасти. Частица, попадающая на диск на расстоянии Го, совершает от действия лопасти перемещение только по окружности. Движения к краю не произойдёт пока справедливо условие Во втором случае (рис. 2.3.6) лопасть имеет криволинейную поверхность. Результирующая сила действия лопасти имеет проекцию Т по радиусу диска, что приводит к перемещению частицы к краю диска до преодоления условия (2.2). Поэтому криволинейная лопасть позволяет снизить затраты энергии на преодоление сил трения и придания частице необходимой скорости схода. Логарифмическая спираль выбрана методом аналогии исследованиям [30, 50, 51], имеет форму простую для построения и производства. Движение частицы М по поверхности диска и лопатки имеет сложный характер (рис. 2.4). В относительном движении частица перемещается без вращения вокруг собственной оси вдоль поверхности лопатки, т.е. по закону логарифмической спирали: Г = Г0еа Ч (2.3) p = f(t) J где ф - угловое перемещение частицы в относительном движении, а = = const- коэффициент логарифмической спирали. Переносное движение частицы зависит от соотношения угловых скоростей вращения диска сод и лопасти сол. В абсолютном движении частица перемещается по некоторой кривой r = f(t). По теореме о сложении скоростей абсолютная скорость движения (скорость разгона) частицы определится: Ua = ur+Ue, (2.4) где vT - радиальная составляющая относительной скорости; \)е - переносная скорость частицы вермикомпоста. При этом переносное движение частицы состоит: ue = o-ore, (2.5) где и" - скорость переносного движения, определяемая угловой скоростью лопасти, т.е. о=солг, (2.6) Dg - переносная скорость проскальзывания, Ue=corr, (2.7) где сог - абсолютная тангенциальная окружная скорость частицы. Таким образом, полная переносная скорость частицы с учётом выражений (2.6) и (2.7) имеет вид: ое=(сол-сог)г = соаг, (2-8) где соа - полная угловая скорость частицы с учетом скольжения по лопасти. Переносная скорость точки М относительно диска определяется выражением: и=ие-юдг, (2.9) После подстановки (2.8) и преобразований имеем: Ое = (Дсо-сог)г, (2.10) где Асо = еол -Од. Из кинематической схемы (рис. 2.4) определяем: tgV = S (2.11) ur где \/ = const (для логарифмической спирали) — угол между радиальным направлением и касательной к лопасти в данной точке. Угол поворота траектории движения частицы tg/ = f. (2.12) Выражение для соотношения углов у и у получим после подстановки (2.11) в (2.12) и преобразований: (2.13) tgytgy : сйг 1 + tgytgvj/ Лео cor -JLctgvj/ m Откуда tgY=7 со (2 14) Так как функция (2.14) непрерывна, из граничных условий определим область значений угла у. При начальных условиях со О) =0, т.к. иг(0) =0, у(0) =0. При конечных условиях tgy(tcx) = сх — тах (2.15) l-MWtgii/ Armax где tcx - время, в течение которого частица находится на диске. # Таким образом, наибольшее значение у приобретает на краю диска и лопатки. Рассмотрим относительное движение частицы вермикомпоста массой т. При этом в горизонтальной плоскости на частицу действуют силы: - сила инерции от переносного движения = mrco п ; - кориолисова сила FK = 2mcoaur;
Описание экспериментальной установки
В соответствии с программой экспериментальных исследований была разработана и изготовлена экспериментальная установка (рис.3.7, 3.8) Она состоит из неподвижной рамы 1 с установленным в подшипниках исследуемым рабочим органом 2. Загрузка удобрений производилась при помощи подающего транспортёра 3, приводимого собственным электродвигателем. Рабочий орган 2 приводится во вращение от электродвигателя постоянного тока 4 с изменяемой частотой вращения через клиноремённую передачу 5. При этом установка шкивов различного диаметра на внутренний и наружный вал рабочего органа достигалась необходимая разность угловых скоростей вращения разбрасывающего диска и лопастей. Для сбора удобрений использовались пронумерованные противни 6.
В ходе эксперимента лабораторная установка позволила полностью моделировать рабочий процесс центробежного разбрасывающего рабочего органа. Исследуемые конструктивные параметры задавались изменением угла сектора подачи, заменой лопастей и изменением их количества. Режимные параметры задавались с помощью изменения передаточного отношения клиноремённой передачи, изменения секундной подачи транспортёра.
Для определения мощности, потребляемой экспериментальной
1 - рама установки;
2 - разбрасывающий рабочий орган;
3 - подающий транспортёр;
4 - приводной вал электродвигателя;
5 - клиноремённая передача;
6 - измерительные противни.
установкой, был использован переносной измерительный комплект К-50, позволяющий регистрировать одновременно три параметра: фазное напряжение, фазный ток и фазную мощность. Погрешность в показаниях не превышала 0,5% (рис. 3.9)
Последовательность проведения каждого лабораторно-полевого эксперимента включала следующие основные этапы:
- задавались уровни факторов и их повторность;
- контролировались физико-механические свойства вермикомпоста, на котором проводились исследования;"
- подготовка установки, приборов и оборудования к эксперименту, задавались конструктивные и режимные параметры;
- проведение опыта;
- оценка качества проведения опыта и обработка результатов.
Подготовка установки заключалась в установке противней, проверке
исправности приборов, регистрирующей аппаратуры, электроприводов, их настройке. Задание уровней конструктивных параметров осуществлялось сменой рабочих элементов (рис. 3.10), изменением массы удобрений, подаваемой транспортером на рабочий, орган. Задание уровней режимных параметров производилось изменением передаточного отношения клиноремённой передачи. Контроль частоты вращения осуществлялся при помощи датчика (рис. 3.11)
Предварительно перед каждым опытом проводилась разметка сектора распределения для установки измерительных противней по дуге. Это позволило учесть условия работы в стационаре при определении основных параметров распределения.
Каждый опыт проводился в следующей последовательности:
1) Установка противней перед установкой по ширине захвата.
2) Укладка вермикомпоста на транспортёр слоем определённой высоты.
3) Задание или контроль конструктивных параметров. Установка необходимых значений угловой скорости диска и лопастей.
Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров на показатели распределения
Первый этап экспериментальных исследований включал серию однофак-торных экспериментов по установлению влияния конструктивных и режимных параметров рабочего органа на качественные показатели распределения. В стационарных условиях оценивались основные показатели сектора рассева — ширина распределения В и коэффициент неравномерности распределения верми-компоста по ширине Нк.
Задачей первого этапа являлся анализ основных зависимостей, определяющих геометрические характеристики сектора распределения, а также обоснование и выбор факторов и уровней их варьирования при многофакторном планировании исследования равномерности распределения вермикомпоста.
Планом первого этапа экспериментальных исследований в качестве основных конструктивных параметров были выбраны угол спирали лопасти \j/. высота лопасти пл и количество лопастей. Режимные параметры - угловая скорость вращения лопастей сол и секундная подача удобрений на диск qc.
Исследования проводились для вермикомпоста, изготовленного по ТУ — 9819-001-18446848-2000 с плотностью, 650.. кг/м , коэффициентом трения по стали f = 1,19, липкостью Sn = 3,7кг/см , коэффициентом парусности кп = 0,5. Результаты исследований получены в виде графических зависимостей и уравнений регрессии, построенных по экспериментальным данным.
Ширина захвата рабочего органа определяется дальностью бросания L и шириной осевого перекрытия, которая зависит от коэффициента неравномерности кривой распределения.
Влияние угла спирали лопасти на дальность бросания при постоянных режимных параметрах графически представлено на рис. 4.5. Рост дальности бросания происходит при увеличении :углаі спирали лопасти до 30-35. При увеличении угла спирали дальность резко снижается, что связано с периодичностью влияния tg\j/ на скорость схода частиц с диска, а также нарушением условия безотрывного движения частиц вдоль лопасти. Как видно из графика, теоретическая и экспериментальная кривые подобны, ошибка составляет не более 7%. Экспериментальная зависимость определяется уравнением регрессии:
Цц/) = 2,47 + 0,059у - 0,0013ц/2 + 4Е - 06\/3. (4.5)
Анализ полученных зависимостей показывает, что оптимальный угол спирали лопасти, при котором дальность бросания достигает наибольшего значения L = 3,2 м (ширина захвата рабочего органа В = 4...4,1 м), равен 30.
Высота лопасти имеет существенное значение для обеспечения качественного процесса распределения. Она определяется физико-механическими свойствами удобрений и при соотношении с количеством лопастей также зависит от объёма удобрений распределённого на каждую лопасть на диске.
Для определения влияния высоты лопасти Ьл на дальность бросания L были изготовлены сменные лопасти высотой 0,03; 0,04; 0,05; 0,06 и 0,07м. Графически зависимости представлены на рис. 4.6. При постоянной секундной подаче удобрений происходит пересыпание их через лопасти при высоте Ьл = 0,03...0,04м, в результате чего нарушается упорядоченность движения частиц вдоль лопастей относительная скорость снижается к краю диска, сход происходит с различными углами бросания. Одинаковая картина наблюдается при числе лопастей п = 2; 3 и 4 шт. Увеличение высоты лопастей способствовало стабилизации дальности бросания на определённом значении Ьл за счет приближения характеристик схода к теоретическим значениям.
При работе двухлопастного органа сектор рассева удобрений приобретает наиболее четкие границы при увеличении высоты лопасти до 0,07м. Дальность бросания при этом не превышает 2,55м и распределение удобрений характеризуется высоким коэффициентом неравномерности Нк = 45...50% (при осевом перекрытии 25%). При увеличении количества лопастей до п = 3 при пл = 0,06м существенно увеличивается дальность бросания за счет улучшения условий взаимодействия с лопастью. Коэффициент неравномерности при 25% осевом перекрытии составляет 23-25%. Что соответствует агротехническим требованиям, предъявляемым к внесению вермикомпоста. При п = 4, оптимальная высота лопасти составила 0,05м. Дальность бросания увеличилась на 8% за счет уменьшения потерь скорости от внутреннего трения материала, коэффициент неравномерности при 25% осевом перекрытии составил 27-30%. Снижения коэффициента неравномерности можно добиться увеличением ширины осевого перекрытия сектора рассева, но при этом происходит столкновение частиц в полете в центральной части общей ширины.захвата, они теряют скорость и образуют полосу повышенной концентрации по оси движения машины. Уравнения регрессии зависимостей получены в виде:
прип = 2, L(hJ = 0,026+ 935,37ИЛ -1197,27пл + 5404,58hJ, (4.6)
прип = 3, Цпл) = 0,049 + 66,185пл+213,4пл-7372пл, (4.7)
прип = 4, Цпл) = -0,27 + 131,7пл -1445,lh +4368,9ЬЛ (4.8)
