Обґрунтування параметрів і режимів роботи потокового скиртоутворювача для формування скирт підвищеної щільності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таврійський державний агротехнологічний університет

УДК 631. 363:364.5

Спеціальність 05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів і режимів роботи потокового скиртоутворювача для формування скирт підвищеної щільності

Побігун Артем Михайлович

Мелітополь - 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Таврійському державному агротехнологічному університеті (ТДАТУ).

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Скляр Олександр Григорович, Таврійський державний агротехнологічний університет, проректор з організаційно-навчальної роботи

Офіційні опоненти:

- академік УААН, доктор сільськогосподарських наук, професор Лінник Микола Кіндратович, Національний аграрний університет, Науково-дослідний інститут екобіотехнологій та біотехніки, професор кафедри екобіотехніки та біоенергоконверсій

- кандидат технічних наук, доцент Гвоздєв Олександр Вікторович

Таврійський державний агротехнологічний університет, доцент кафедри обладнання переробних і харчових виробництв

Захист відбудеться " 14 " грудня 2007, р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 Таврійського державного агротехнологічного університету, 72312, м. Мелітополь, пр-т Б. Хмельницького, 18

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ТДАТУ за адресою: 72312, м. Мелітополь, пр-т Б. Хмельницького, 18.

Автореферат розісланий 07 листопада 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Т. Діордієв

Анотації

Побігун А.М. Обґрунтування параметрів і режимів роботи потокового скиртоутворювача для формування скирт підвищеної щільності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Таврійський державний агротехнологічний університет, Мелітополь, 2007.

Дисертацію присвячено вирішенню питань підвищення ефективності збирання соломи та інших грубих кормів шляхом механізації технологічного процесу безупинного формування скирт щільністю понад 100 кг/м³ потоковим скиртоутворювачем із ущільнюючим клапаном комбінованої дії, що поєднує попереднє горизонтальне ущільнення з кінцевим коливним.

Його використання дає змогу підвищити продуктивність праці, зменшити прямі витрат при експлуатації, у тому числі паливно-енергетичних ресурсів, зменшити питомі капітальні вкладення.

При створенні такого скиртоутворювача на основі отриманого патенту розроблено його конструкційно-технологічну схему, проведені аналітичні і лабораторно-експериментальні дослідження, в результаті яких обґрунтовано теоретично і підтверджено експериментально його основні конструкційно-технологічні параметри. Виробнича перевірка використання цієї машини показала її високу ефективність.

Ключові слова: солома, грубі корми, скиртоутворювач, клапан, ущільнення.

Побигун А.М. Обоснование параметров и режимов работы поточного скирдообразователя для формирования скирд повышенной плотности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Таврический государственный агротехнологический университет, Мелитополь, 2007.

В диссертации решается вопрос повышения эффективности уборки соломы и других грубых кормов путем механизации технологического процесса непрерывного формирования скирд плотностью свыше 100 кг/м³.

Солома зерновых культур является весомым и гарантированным резервом обеспечения животных кормами, малоценная часть соломы и ее излишки широко применяются для других хозяйственных нужд. Уборка соломы, которой по массе на 20-30 % больше чем зерна, наиболее трудоемкий процесс уборки зерновых. Одним из перспективных направлений его механизации является укладка соломы в длинномерные скирды плотностью массы свыше 100 кг/м ³ скирдообразователем непрерывного действия.

Анализ существующих скирдообразователей позволил на основе полученного патента разработать конструктивно-технологическую схему машины, особенностью которой является то, что в начальный период уплотнения массы состоит из двух этапов - подпрессовывания нижних слоев скирды и второго, непосредственного уплотнения поворотом клапана, который осуществляет постепенный переход от горизонтального усилия уплотнения в вертикальное, что позволяет придавать верхним пластам скирды большую плотность, направляя в крайнем рабочем положении усилия прессования вниз, осуществляя при этом прессование аналогично как в закрытой камере. Для обоснования конструкционно-технологических параметров машины выяснена физическая сущность явлений процессов загрузки и уплотнения, определены необходимые физико-механических и технологических свойств массы, проведены лабораторно-экспериментальные исследования.

Исследования выполнялись в лабораторных условиях на лабораторных и модельных установках и в полевых условиях на опытном образце скирдообразователя СПУ-36К. Для определения силовых показателей рабочих процессов применялась измерительно-регистрирующая аппаратура. Результаты экспериментов, обработанные методами статистического анализа, подтвердили достоверность теоретических исследований.

Результаты аналитических и экспериментальных исследований с достаточной для практических целей точностью согласуются между собой и могут быть использованы для расчета усилий сжатия стебельных материалов.

Скирды, сформированные скирдообразователем с клапаном комбинированного действия, имеют большую плотность и равномерность плотности по высоте, чем при ручном формировании и применении скирдообразователя с колеблющимся клапаном, причем скирды, сформированные из соломы, которая пролежала в копнах, лучше сохраняют свою форму, чем со свежеубранной.

Разработана методика инженерного расчета, которая дает возможность определить конструктивные параметры и технологические режимы работы скирдообразователя непрерывного действия с клапаном комбинированного действия, который обеспечивает производительность формирования скирды до 36 т/ч. с плотностью 110 - 115 кг/м³ .

Производственная проверка машины и проведенная экономическая оценка свидетельствуют, что внедрение скирдообразователя СПУ-36К с клапаном комбинированного действия в сравнении с универсальным скирдовальным агрегатом УСА - 10 и скирдообразователем СПУ_30 показала его высокую эффективность. Внедрение данной машины повышает эффективность уборки зерновых в целом. Конструкторская документация на него передана предприятию-изготовителю.

Ключевые слова: солома, грубые корма, скирдообразователь, клапан, уплотнение.

Pobigun A.M. The ground of parameters and modes of stream stack-making machine operations for forming of promoted compact stacks. - Manuscript.

Dissertation on scientific degree gaining of candidate of technical sciences after specialty 05.05.11 - machines and facilities of agricultural production mechanization. - Tavria State Agrotechnological University, Melitopol, 2007.

Dissertation is devoted to the questions of decision of rise of straw harvesting efficiency and other rough forages by mechanization of technological process of the continual forming of stacks by a compact over 100 kg/m³ stream stack-making machine with the compact combined operation valve, that connects the previous horizontal compression with the eventual hesitating one.

Its use enables to promote labour productivity, to decrease the lines of charges during exploitation, including fuel and energy resources, to decrease the specific capital investments. A creation of such stack-making machine on the basis of the got patent his construction-technological chart, conducted analytical and laboratory-experimental researches as a result of which ground in a theory and his basic construction-technological parameters are confirmed experimentally, is developed. Production verification of the use of this machine showed its high efficiency.

Key words: straw, rough sterns, stack-making machine, valve, compact.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Під зерновими й зернобобовими в Україні зайнято 13.2 млн. га, або 46.5 % сільськогосподарських угідь. Врожай соломи становить більш 54 млн. т. У комплексі робіт на її збирання затрачується в 2-3 рази більше праці й засобів, ніж на збирання зерна.

Найбільш трудомісткими операціями в процесі збирання соломи та заготівлі інших грубих кормів, зокрема розсипного сіна, є транспортування й скиртування. На формування скирт соломи припадає до 70 % усіх витрат праці, пов'язаних з її збиранням. Аналогічна ситуація також із заготівлею розсипного сіна.

Проблема вдосконалення скиртоутворювачів і створення комплексних технологічних ліній збирання зернових набуває для України великого народногосподарського значення, оскільки сучасні способи та засоби формування скирт є недостатньо ефективними і потребують подальшого дослідження та вдосконалення. Одним із перспективних напрямів вирішення цієї проблеми є застосування потокових скиртоутворювачів безперервної дії, які виключають ручну працю, надають скиртам відповідної форми при збільшенні їх щільності понад 100 кг/м ³, що підвищує продуктивність процесу і схоронність корму, скорочує займану площу.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно із затвердженими планами науково-дослідних робіт Таврійської агротехнічної академії на 2001 - 2005 рр. "Розробка наукових основ систем технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки південного регіону України", підпрограма 1.2 "Розробка енергозберігаючих та екологічно чистих технологій і засобів механізації виробництва продукції тваринництва" № ДР 0102U000677.

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень полягає в підвищенні ефективності потокового скиртоутворювача для формування скирт підвищеної щільності.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації повинні бути вирішені такі задачі:

- використовуючи наукову гіпотезу про необхідність у процесі ущільнення скирти поступового переходу горизонтального зусилля ущільнення у вертикальне, одержати основні аналітичні залежності процесу формування скирт підвищеної щільності від конструктивних параметрів і режимів роботи потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії та фізико-механічних та технологічних властивостей ущільнюваних матеріалів;

- шляхом лабораторно-експериментальних досліджень вивчити фізико-технологічні властивості стеблових матеріалів, які впливають на їх ущільнення;

- визначити оптимальні параметри й режими роботи та їх вплив на кількісні та якісні показники процесу, а також виконати виробничу перевірку роботи скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії;

- розробити методику інженерного розрахунку його технологічних режимів роботи й конструктивних параметрів;

- визначити енергетичну й економічну ефективність використання потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії.

Об'єктом досліджень є механізований технологічний процес безупинного формування скирт соломи підвищеної щільності потоковим скиртоутворювачем із клапаном комбінованої дії, що поєднує початкове горизонтальне ущільнення з кінцевим - при повороті клапана.

Предметом досліджень виступає фізика явищ заповнення пресувальної камери скиртоутворювача при завантаженні та ущільнення соломи комбінованим клапаном.

Методи досліджень. При проведенні аналітичних досліджень використано методи класичної механіки й теорії пружності. Експериментальні дослідження виконувалися в лабораторних і виробничих умовах на макетних і натурних зразках машин та спеціально розробленому устаткуванні із застосуванням методів геометричного й математичного моделювання, математич-ного планування експериментів і математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Отримано аналітичні залежності показників процесу високопродуктивного потокового безупинного формування скирт. Дослідження яких дозволило запропонувати конструктивне рішення по удосконаленню потокового скиртоутворювача, що забезпечило підвищення якості скирт і зниження енерго- і матеріаловитрат, затрат праці та коштів.

2. Уперше запропоновано математичну модель процесу скиртоутворення з використанням клапана комбінованої дії, який дозволяє виконувати поступовий перехід зусилля ущільнення у вертикальне і забезпечити рівномірність розподілення щільності скирти по висоті. Її дослідження дозволили встановити залежності конструктивних параметрів і технологічних режимів роботи потокового скиртоутворювача від його енергетичних характеристик і фізико-механічних властивостей соломи.

Практичне значення результатів досліджень. Основне практичне значення результатів досліджень полягає в розробці потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії для формування скирт підвищеної щільності, яка сягає понад 100 кг/м³. Створено методику розрахунку конструкційно-технологічних параметрів і режимів його роботи.

Конструктивно-технологічна новизна розробки підтверджена двома деклараційними патентами України на винахід: № 38403А "Потоковій скиртоутворювач" і № 40961А "Потоковій скиртоутворювач з ущільнюючим котком".

Результати досліджень та науково-технічна документація передана ВАТ Джанкойський машинобудівний завод (м. Джанкой, АР Крим) для впровадження у виробництво. Потоковий скиртоутворювач із клапаном комбінованої дії впроваджено ВК "Переможець" Якимівського району Запорізької області.

Особистий внесок здобувача полягає в отриманні:

- аналітичних залежностей, які описують процес потокового формування скирт підвищеної щільності скиртоутворювачем із клапаном комбінованої дії [5,8];

- експериментальних залежностей технологічних властивостей соломи, які впливають на якість ущільнення клапаном комбінованої дії [2,7];

- оптимальних параметрів та режимів роботи потокового скиртоутворювача [6,9];

- обґрунтування ефективності використання потокового скиртоутворювача для механічного формування скирт підвищеної щільності [10,11].

Апробація результатів дисертації. За основними положеннями дисертаційної роботи було зроблено доповіді, що одержали схвалення на науково-технічних конференціях у Таврійській державній агротехнічній академії у 2002 - 2005 р., міжнародній науково-технічній конференції в Інституті механізації тваринництва УААН в 2003 р. і в 2004 р на науково-практичній конференції Кримського державного аграрного університету та міжвузівській науково-практичній конференції аспірантів Вінницького державного агротехнологічного університету.

Публікації. Основні матеріали й положення дисертації опубліковано у 11 статтях у фахових виданнях наукових праць (шість з них одноосібних) та двох деклараційних патентах України на винахід. Загальний обсяг публікацій 2,3 друкованих аркушів.

Обсяг і структура. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел з 150 найменувань, з яких 56 вітчизняних, 81 - інших країн СНД і колишнього СРСР, 8 - далекого зарубіжжя. Її обсяг становить 169 сторінки машинописного тексту, на 140 із них викладено текст роботи та список використаних джерел, на 26 - додатки. Вона містить 23 таблиці та 40 ілюстрацій.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, вказано зв'язок з науковими програмами, сформульовано основні положення, які складають об'єкт, предмет, мету і задачі досліджень, наведено наукову новизну й практичне значення роботи, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі "Стан питання. Мета й задачі досліджень" розглянуто народногосподарське значення соломи, основні технології її механізованого збирання, стан механізації формування стогів і скирт, представлено висновки по розділу.

Відходи рослинництва, зокрема солома, має велике народногосподарське значення. Основним її споживачем є тваринництво, де вона використовується на корм і підстилку для тварин і птиці. Одним із перспективних напрямків використання залишків соломи є використання її як енергоносія для побутових і комунальних потреб.

Найбільш широке застосування через простоту технологічного процесу і низькі витрати одержало збереження грубих кормів, зокрема соломи й сіна, скирдуванням на відкритих площадках. На місцях збереження розсипна солома формується в скирти стогокладами із застосуванням ручного укладання чи із застосуванням скиртоутворювачів.

Якість сіна й соломи та тривалість його збереження багато в чому залежить від щільності, форми та розмірів скирти чи стогу. При ручному формуванні скирт неподрібненої соломи їх щільність становить 30-45 кг/м ³, для подрібненої вона більше на 30-40 %. Застосування скиртоутворювачів дає змогу підвищити щільність скирт до 110 кг/м ³.

У результаті досліджень було висунуто наукову гіпотезу про необхідність підвищення якості ущільнення скирти та зменшення енергетики процесу поступовим переходом горизонтального зусилля ущільнення у вертикальне.

У другому розділі " Аналітичні дослідження процесу пресування при скиртоутворенні", який містить аналіз теоретичних закономірностей стиснення стеблових матеріалів, математичну модель стиснення стеблових матеріалів, наведено опис потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії, виконано кінематичний аналіз клапана комбінованої дії, зроблено визначення розподілу щільності маси й тиску клапана на неї від положення маси на клапані та кута його обертання на всіх етапах роботи та висновки.

Процес механічного скиртоутворення супроводжується ущільненням маси. Рослинний корм являє собою трикомпонентну суміш: тверда (целюлозна кістякова основа), рідка (волога) і газоподібна (повітря) фази.

Дослідженням процесу ущільнення стеблових кормів присвячені роботи Ч. Канафойського, І.І. Волфа, А.А. Чапкевича, Е.М. Гутьяра, С.А. Алфьорова, М.А. Пережогіна, А.А. Григор'єва, Ж.Т. Шаукентаєва, А.В. Голяновського, М.А. Пустигіна, В.І. Особова, И.А. Долгова, А.М. Муратова, Е.И. Храпача, А.А. Тулінова, В.І. Недовєсова, М.К. Лінника, С.А. Сахарова, Ж.Т. Шаукентаєва.

Для математичного опису ущільнення стеблових матеріалів використовується математична модель з ідеалізованими властивостями реального матеріалу, тобто лише з тими властивостями, що істотні для поставленої задачі. Але дотепер відсутня єдина думка про закономірності цього процесу. Тому виконання теоретичних та експериментальних досліджень процесу формування скирт, удосконалення технології збирання та зберігання соломи, визначення раціональних параметрів скиртоутворення, які забезпечать високу щільність і схоронність скирт та збільшення обсягів їх формування при менших питомих енерговитратах визначає подальшу спрямованість роботи. Нами прийнято рівняння запропоноване В.І.Особовим, достовірність використання якого буде перевірено лабораторними дослідженнями.

При роботі всіх типів скиртоутворювачів при формуванні скирт ущільнюючим клапаном спочатку відбувається стиснення порції маси, завантаженої в приймальну камеру скиртоутворювача, потім витримування її під постійним тиском, яке починається в момент переміщення агрегату, і релаксація ущільненої маси, що триває під час нового заповнення приймальної камери. Таким чином, процес ущільнення скирти ущільнюючим клапаном скиртоутворювача можна розділити на три стадії:

- режим активного навантаження, коли напруження s у скирті із часом t зростає;

- режим витримування під тиском, при цьому - const;

- режим пружного відновлення, при =0.

Для опису поводження стеблових матеріалів при ущільненні запропоновано модель, у якій послідовно з'єднано моделі Максвела й Кельвіна, при вилученні з приєднаної моделі Максвела ланки в'язкості. Виконані теоретичні дослідження довели, що при миттєвому прикладанні навантаження стиснення шару стеблових кормів підлягає закону Гука з миттєвим модулем пружності E, і при нескінченно повільному деформуванні - із тривалим модулем пружності H.

Враховуючи недоліки ущільнюючих клапанів обертової дії й горизонтального переміщення, нами запропоновано комбіновану дію ущільнюючого клапана, яка полягає в попередньому підпресовуванні нижніх шарів маси, завантаженої в приймальну камеру, горизонтальним переміщенням осі обертання клапана й остаточним ущільненням скирти поворотом клапана. Такий принцип дії, окрім ущільнення нижніх шарів, яке відсутнє при обертовому клапані, завдяки горизонтальному переміщенню осі обертання при відведенні клапана у вихідне положення, створює в нижній частині приймальної камери додатковий простір, який зменшує зависання маси при завантаженні і поліпшує рівномірність її заповнення. Причому у процесі роботи клапана комбінованої дії відбувається трансформація його механізму з механізму третього сімейства у механізм четвертого сімейства.

Скиртоутворювач із клапаном комбінованої дії складається з рами 1, що по горизонталі оперізує каркас 2, який охоплено вертикальною підковоподібної несучої рамкою 3 із закріпленими на ній опорними колесами 4. На даху 5 розташована площадка 6, до якої веде драбина 7. Ущільнення маси здійснюється клапаном 8 із приводом від гідравлічних циліндрів 9. Клапан 8 качається на цапфах, встановлених у повзунах 10, які прямолінійно горизонтально переміщаються по направляючим 11, розташованим у нижній частині каркаса 2. Передня частина скиртоутворювача спирається на блок поворотних коліс 12 зі сницею 13.

При розгляді деформування матеріалу обертовим клапаном приймаються такі допущення:

- приймальна камера заповнюється масою, щільність якої змінюється в залежності від розташування по висоті;

- при заповненні камери пресування масою тиск маси на клапан, викликаний лише силою ваги завантаженої неущільненої маси, незначний, тому початковий тиск на клапан р_о приймається рівним нулю, тобто р_о = 0;

- процес зростання щільності маси при стисненні безупинний;

- зусилля при стисненні не залежать від швидкості деформації;

- при ущільнені переміщення матеріалу щодо клапана відсутнє;

- сили взаємодії матеріалу й клапана нормальні його площині.

Рис. 1. Схема визначення тиску матеріалу на пресувальний клапан

При сталому режимі роботи, початковий об'єм прийомної камери, заповнюваний неущільненою масою, складається з об'ємів, перетин якого повздовжній осі скирти представлено фігурою А_оGСBA_о; призмою, перетином якої є паралелограм GСDO; паралелепіпедом, що має перетин у вигляді прямокутника ODFE. Для зручності розгляду питання ущільнення площа паралелограма GСDO і прямокутника ODFE - фігура GOEFDСG іменується 1-ю зоною, а площа фігури А_оGСBA_о - 2-ю зоною.

Верхня межа 1-ї зони має ординату

h₁ =Lсtg_псtg_к/(сtg_п+сtg_к), (1)

де L - переміщення скиртоутворювача за один хід клапана;

_п - кут між положенням клапана наприкінці переміщення осі обертання клапана й вертикаллю,

_п =arсtg[tg_к+S/(H_с -h_о)];

H_с - висота стін скиртоутворювача; h_о - висота розташування осі обертання клапана; S - величина переміщення осі обертання клапана.

Відносна деформація - відношення абсолютної деформації до вихідної величини, у першій і другій зоні відповідно буде

_{п 1} =x[1 -y/(H_с -h_о)]/(L +s); (2)

_{п 2}=x[1 -y/(H_с -h_о)]/[y(tg +tg_к) +L +s](H_с -h_о)]. (3)

У позначеннях перший індекс відповідає етапу, тобто "п" - підпресовування, "у" - ущільнення, "в" - виштовхування, а другий - зоні ущільнення.

У процесі ущільнення маси її щільність змінюється за залежністю

 =_о/(1 -), (4)

У свою чергу, як було сказано вище, вихідна щільність завантаженої маси нерівномірна за висотою розташування, тобто _о =f(H_с), відносна ж деформація маси обумовлюється етапом її ущільнення й висотою розташування.

Таким чином, зміна щільності маси й тиск клапана на масу при підпресовуванні для 1-ої й 2-ої зон відповідно будуть

_{п 1} =_о/{1 -x[1 -y/(H_с -h_о)]/(L +s)}; (6)

_{п 2} =_о/{1 -x[1 -y/(H_с -h_о)]/[y(tg +tg_к)+L+s]}; (7)

У другий період (ущільнення) абсолютна й відносна деформація в першій зоні визначаються виразами

_{у 1} =(sіn_п +sіn'); (10)

_{у 1} =(sіn _п +sіn_в)/L, (11)

де - поточний радіус клапана;

_в - поточний кут повороту клапана, відлічуваний від вертикалі.

Щільність маси й тиск клапана на неї в цей період становитиме

_{у 1} =_{п 1}L/[L -(sіn_п +sіn')]; (12)

Відносне ущільнення, щільність маси й тиск клапана на масу в 2-й зоні відповідно будуть

_{у 2} =/(_к +_п); (14)

де - поточний кут повороту клапан, відлічуваний від нуля до _к+_п - положення клапана в момент початку переміщення скиртоутворювача.

На другому етапі пресування зусилля при повороті клапана продовжує зростати, як тільки горизонтальна складова дорівнюватиме силам опору його переміщенню, почнеться його рух (виштовхування маси), який буде відбуватися до повного повороту клапана, тобто повороту на кут _к. При цьому скиртоутворювач переміститися на відстань L.

Кінцеві параметри виштовхування в 1-й зоні - абсолютна й питома деформація щільності маси та тиск клапана на масу стануть такими, якими були після попереднього ущільнення, тобто

_{в 1} =S[1 -y/(H_с -h_о)]; (17)

_{в 1} =S[1 -y/[(H_с -h_о)]/[y(tg +tg_к)+L+S]; (18)

_{в 1} =_о/{1 -S[1 -y/[(H_с -h_о)]/[y(tg +tg_к)+L+S]}; (19)

У цих виразах величина y змінюється від 0 до h₁/соs_к.

Кінцева питома деформація в 2-ій зоні становитимуть

_{в 2} =(_к + _п); (21)

_{в 2} =(_к+ _п)/(_к+ _п+), (22)

=2sіn[L соs_к/(2r)].

де - кут, який охоплює ущільнену масу,

При кінцевому положенні клапана залежності розподілу щільності й тиску по радіусу R клапана в цій зоні відповідно набувають вигляду

_{в 2} =_{у 2}[1 +(_к + _п)]; (23)

p_{в 2} =СЧехр[ar_y2(j_к+a _п)/g]. (24)

У результаті теоретичних досліджень ущільнення коливним клапаном комбінованої дії, який виконує поступовий перехід горизонтального зусилля ущільнення у вертикальне, отримані залежності, що характеризують зміну щільності і тиску клапана від його переміщення лінійного або кутового і від висоти розташування шару ущільнюваної маси. Вони дають змогу визначити розподіл щільності маси й тиску вздовж клапану на всіх періодах процесу пресування, що дозволяє визначити основні технологічні показники процесу.

У третьому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" викладено програму експериментальних досліджень, лабораторні дослідження процесу ущільнення стеблових матеріалів, зокрема, тут описано установку для дослідження стиснення стеблових матеріалів і установку для визначення режимів скиртоутворення і методики їх виконання, наведено методики польових досліджень процесу скиртоутворення, а саме, методику польових досліджень роботи скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії, описано прилади, використовувані при дослідженнях, планування експериментальних досліджень і методика обробки отриманих результатів, аналіз математичної моделі факторів.

Дослідження процесу фізико-механічних і технологічних властивостей матеріалу й ущільнення стеблової маси виконувалися на лабораторному устаткуванні, а також у польових умовах на удосконаленому скиртоутворювачі з клапаном комбінованої дії, який проходив виробничу перевірку в господарстві.

Для опису процесу потокового утворення скиртоутворювачем стійкої скирти з подрібненої маси соломи й сіна при щільності маси не менш 100 кг/м ³ з ущільненням стеблової маси клапаном комбінованої дії необхідно знайти зусилля впливу клапана на масу на всіх етапах переміщення клапана при ущільненні. При цьому слід визначити:

- вихідну щільність завантаженої маси і її розподіл по висоті приймальної камери скиртоутворювача;

- максимальну продуктивність і енергоємність процесу;

- тиск і зусилля впливу ущільнюючого клапана на масу при різних видах його переміщення в процесі формування скирти;

- розподіл щільності маси по висоті й довжині скирти;

- стан профілю верха формованої скирти;

- стійкість форми скирти в процесі збереження.

Лабораторні дослідження при перевірці теоретичних залежностей, що виражають процес деформування стеблових матеріалів, фізико-механічних і технологічних їх властивостей, проводилися на установці, створеній на базі універсальної випробної машини УИМ-2055Р-05).

Для визначення ряду технологічних і конструктивних параметрів та режимів роботи потокового формування скирт щільністю понад 100 кг/м ³ скиртоутворювачем із клапаном комбінованої дії застосована допрацьована лабораторна установка.

Рівні варіювання факторів при проведені всіх лабораторних і експериментальних досліджень представлено в табл.1.

Таблиця 1 Рівні й інтервали варіювання факторів при проведені лабораторних і експериментальних досліджень

Рівні й інтервали варіювання факторів	Кодоване значення	Фактори і їхні позначення
		вологість W, %	середня довжина часток соломи l, м	хід шарніра клапана s, м	висота розташування шару маси Нш, м	кут повороту клапана ц, град
						ущільнення	виштовхування
		Х 1	Х 2	Х 3	Х 4	Х 5	X6
Верхній рівень	+1	36	0.25	0.50	5.0	20	25
Основний рівень	0	21	0.20	0.25	2.9	10	22.5
Нижній рівень	-1	6	0.15	0	0.8	0	20
Інтервал варіювання		15	0.05	0.25	2.1	10	2.5

У четвертому розділі "Результати досліджень режимів закладки грубих кормів скиртоутворювачем" наведено результати лабораторно-експериментальних досліджень і їх аналіз, який містить дослідження фізико-технологічних властивостей стеблових матеріалів при ущільненні і перевірку достовірності отриманих теоретичних закономірностей ущільнення стеблових кормів, визначення оптимальних параметрів і режимів роботи скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії, де викладено розподіл щільності маси по висоті прийомної камери, ущільнення маси комбінованим клапаном та по висоті скирти та експериментальну перевірку достовірності отриманих розрахунків, наведено розподіл щільності маси по висоті скирти та профіль її верха і стійкість форми при зберіганні.

У результаті лабораторних досліджень, виконаних на лабораторній установці, отримано залежності повзучості деформацій при прикладанні до зразка постійного навантаження, релаксації напруги при постійній деформації і зусиль абсолютної деформації.

Величини Е, Н визначалися при миттєвому прикладанні постійного навантаження й записом деформації повзучості протягом двох годин. Вони становили:

- для житньої соломи

H =7.337-0.076W-53.096l-0.25Wl+0.002W²+186.667l², (25)

E =11.719-0.129W-89.744l-0.129Wl+0.003W²+299.2l², (26)

- для пшеничної соломи

H =7.084-0.062W-51.959l-0.37Wl+0.002W²+189.182l², (27)

E =10.302-0.114W-77.212l-0.134Wl+0.002W²+ +258.986l²; (28)

- для ячмінної соломи

H =8.249-0.06W-61.213l-0.564Wl+0.002W²+229.533l², (29)

E =11.975-0.133W-87.845l-0.179Wl+0.003W²+296.467l². (30)

Тут модулі пружності Н і Е представлені в кПа, вологість - W у %, довжина часток соломи - l у м

Як показав аналіз отриманих залежностей - модулі пружності соломи знижуються зі збільшенням вологості і зростають з довжиною часток.

Перевірка придатності теоретичних закономірностей, а саме придатності рівняння запропонованого В.І.Особовим, та достовірності отриманих значень миттєвого Е і тривалого Н модуля пружності, проводилася при лабораторних дослідженнях ущільнення житньої соломи із середньою довжиною 200 мм при вологості 14 % на лабораторній установці. Модельний стіг із квадратним перетином площею 1 м² у камері довжиною 1 м формувався при стисненні маси з вихідною щільністю 32 кг/м³ до упора при швидкості v =0.03 м/с і витримуванні протягом =30 с.

Аналіз отриманих даних показує, що запропоновані математичні вирази враховують вплив фактора часу на напружено-деформований стан матеріалу. Реологічні коефіцієнти цих формул із достатньою для практичних цілей точністю відображають фізико-механічні властивості матеріалу і явища повзучості деформації і релаксації напруги і можуть бути використані для розрахунку зусиль стиснення стеблових матеріалів рис.2.

Рис.2. Теоретично розраховані та експериментальні залежності напруги деформації від ступеня стиснення l маси: 1 - теоретичні дані; 2 - експериментальні дані

Таким чином, при розрахунках зусиль, які діють на клапан скиртоутворювача при формуванні скирти, для прийнятої залежності слід брати такі коефіцієнти С =7.49665 ±0.77705 кПа і а =0.01822±0.00155 м³/кг.

При польових дослідженнях ущільнення маси комбінованим клапаном виявлено, що зміна щільності маси при підпресовуванні у залежності від переміщення S осі клапана й висоти розташування ущільнюваного шару H_ш описується виразом

с_{п 2} = 24.305+21.5041S+4.073H_ш+5.1119S²-5.1547SH_ш- _0.3654H_ш ², (31)

від кута j повороту клапана і висоти розташування ущільнюваного шару H_ш мають вигляд:

- при ущільненні

с_{у 2}=29.093+0.409a+0.0905H_ш+0.0535j²+0.1332jH_ш+ +0.2303H_ш ²; (32)

- при виштовхуванні

с_{в 2}= -606.665+54.989j +1.819H_ш -1.085j² -0.009jH_ш+ +0.477H_ш ². (33)

Залежність тиску клапана на масу при підпресовуванні в залежності від переміщення s осі клапана й висоти розташування ущільнюваного шару H_ш представлено одержаним виразом

p_{п 2} =0.3836+6.6334s-0.4568H_ш+1.7219s²-1.6082sH_ш+0.0829H_ш ². (34)

Залежності тиску ущільнення від кута j повороту клапана й висоти розташування шару H_ш при ущільнені та виштовхуванні представлено відповідно виразами:

p_{у 2} =6.8794+0.0686j -3.7757H_ш+0.0206j^--2+0.0494jH_ш+0.4833H_ш ²; (35)

p_{в 2}= -224.033+19.6128j-1.256 H_ш-0.3908j²-0.0033jH_ш+0.3903H_ш ². (36)

Аналіз отриманих залежностей свідчить, що щільність соломи і тиск при підпресовуванні зростають лише в нижній частині клапана. При ущільненні вони збільшується як при повороті клапана, так і з висотою розташування шару. Обидві вони мають параболічний характер, причому залежність щільності від висоти наближається до лінійної. З початком переміщення скиртоутворювача залежність щільності від висоти шару залишається лінійною, а тиск зростає за гіперболою, досягаючи максимуму у верхніх шарах; залежності щільності й тиску від кута повороту - набувають вигляду перевернутої гіперболи, що пояснюється розпочатим рухом агрегату.

П'ятий розділ "Реалізація результатів досліджень" містить методику визначення конструкційно-технологічних параметрів скиртоутворювача, визначення продуктивності формування скирти, виробничу перевірку потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії, енергетико-економічну оцінку ефективності використання потокового скиртоутворювача, яка включає в себе комплексну оцінку конкурентоспроможності потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії, прогноз конкурентоспроможності і оцінку та економічну ефективність впровадження.

Продуктивність роботи скиртоутворювача пов'язана як із його конструкційними параметрами (H_ск, h_o, B, S, a, j, b), так зі щільністю r завантаженого матеріалу, яка у свою чергу залежать також від величини подрібнення l часток маси та продуктивності завантаження Q_з.

У виробничих умовах у процесі проведення експериментальних досліджень робота потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії перевірялася у ВК "Переможець" Якимівського району Запорізької області, для якого згідно договору було розроблено оригінальну конструкцію скиртоутворювача СПУ_36К.

При енергетико-економічній оцінці ефективності використання потокового скиртоутворювача за аналоги прийнято агрегат для скирдування соломи й сіна УСА 10 і потоковий скиртоутворювач СПУ-30. При цьому слід брати до уваги, що у першому варіанті порівнюються дві машини - потоковий скиртоутворювач СПУ 36К з клапаном комбінованої дії і універсальний скиртувальний агрегат УСА 10, а в другому - визначається доцільність виконання модернізації скиртоутворювача СПУ-30, тобто застосування на ньому клапана комбінованої дії.

Комплексна оцінка свідчить, що коефіцієнт технічного рівня пропонованого потокового скиртоутворювача із клапаном комбінованої дії вище від порівнюваних і становить відповідно 1,44 і 1,07, а прогноз показує, що тривалість конкурентоспроможності розробки у порівнянні з УСА-10 становить 2,72 і у порівнянні з СПУ-30 - 0,51 року.

Оцінка економічної ефективності показала, що впровадження потокового скиртоутворювача з клапаном комбінованої дії у порівнянні з УСА-10 і СПУ_30 дає змогу підвищити продуктивність праці відповідно на 73,0 і 16,7 %, зменшити прямі витрати при експлуатації на 31,4 і 10,8 %, у тому числі паливно-енергетичних ресурсів на 34,0 і 16,7 %, зменшити питомі капітальні вкладення відповідно на 33,7 і 14,2 %; одержати економічний ефект відповідно 36396,8 і 9629,6 грн.

Термін окупності скиртоутворювача при цьому становить відповідно 1,98 та 0,25 року.

Висновки

механізація солома скирта щільність

Результати теоретичних і експериментальних досліджень скиртоутворювача з клапаном комбінованої дії, а також вивчення фізико-механічних і технологічних властивостей стеблових кормів і сформованих скирт дають змогу прийти до таких висновків.

1. Аналіз літературних і виробничих джерел дозволив обґрунтувати перспективний напрямок механізації заготівлі соломи - високопродуктивне укладання скирт зі щільністю маси понад 100 кг/м³ шляхом впровадження процесу переходу горизонтального зусилля ущільнення у вертикальне. Найбільш раціонально для цієї мети застосовувати скиртоутворювач з ущільнюючим клапаном, який поєднує горизонтальне переміщення й обертання, що дає змогу завантажувати нижню частину приймальної камери й отримувати вертикальну складову зусилля пресування.

2. Запропоновано конструкцію скиртоутворювача з клапаном комбінованої дії, який виконує поступовий перехід від горизонтального зусилля ущільнення у вертикальне, що дозволяє надавати верхнім шарам скирти більшої щільності, спрямовуючи у крайньому робочому положенні зусилля пресування під кутом вниз, здійснюючи при цьому пресування аналогічно як у закритій камері.

3. Встановлено, що максимальне значення тривалого Н і миттєвого Е модулів пружності соломи при вологості 6 % і довжині часток 0,25 м для житньої соломи відповідно дорівнюють Н =4,962 і Е =7,111 кПа, для ячмінної - Н = 3,067 і Е = 7,572 кПа.

Їхнє мінімальне значення практично відповідає довжині часток від 0,15 до 0,178 м і вологості від 27 до 30 %, тут модулі пружності співпадають і дорівнюють Н =1,72 і Е =3,00 кПа.

4. Визначено коефіцієнти емпіричної формули для розрахунку зусилля, яке діє на клапан скиртоутворювача при формуванні скирти: С =7.497 кПа і а =0.018 м³/кг.

5. Завдяки застосуванню клапана комбінованої дії маса завантаженого корму в приймальну камеру збільшилась у середньому на 35,2 %, а вихідна середня щільність зросла від на 11.2 %.

6. У процесі формування скирти клапаном комбінованої дії щільність соломи при підпресовуванні й величина тиску зростають лише у його нижніх шарах. При ущільненні вони збільшуються як при повороті клапана, так і з висотою розташування ущільнюваного шару до початку пересування агрегату, яке характеризується короткотривалим зменшенням цих показників. Подальше їхнє зростання пояснюється переходом ущільнення скирти у вертикальному напрямку.

Розрахункові та експериментальні дані при цьому узгоджуються на всіх етапах ущільнення з похибкою до 5 %, за винятком пікового навантаження, коли гідросистема трактора не в змозі розвинути необхідний тиск.

7. Виявлено, що скирти, сформовані скиртоутворювачем із клапаном комбінованої дії, мають більшу щільність і рівномірність щільності по висоті, ніж при формуванні вручну й скиртоутворювачем із обертовим клапаном. Скирти, сформовані із соломи, яка пролежала в копицях, краще зберігають свою форму, ніж зі свіжозібраної.

8. Виконано виробничу перевірку машини та проведено економічну оцінку, за якою впровадження потокового скиртоутворювача СПУ_36К з клапаном комбінованої дії, який забезпечує продуктивність формування скирти до 36 т/год. зі щільністю 110-115 кг/м³, у порівнянні з універсальним скиртувальним агрегатом УСА-10 і скиртоутворювачем СПУ-30, при скиртуванні 6521 т соломи дає змогу підвищити продуктивність праці відповідно на 73,0 і 16,7 %, зменшити прямі витрати при експлуатації на 31,4 і 10,8 %, у тому числі енергетичних ресурсів на 34,0 і 16,7 %, зменшити питомі капітальні вкладення відповідно на 33,7 і 14,2 %; одержати економічний ефект відповідно 36396,8 і 9629,6 грн.

Термін окупності скиртоутворювача при цьому становить відповідно 1,98 та 0,25 року. Технічний рівень розроблюваного скиртоутворювача у порівнянні з УСА-10 і СПУ-30 становить відповідно 1,44 і 1,07, час, на протязі якого розробка конкурентоспроможна відповідно 2,72 і 0,51 року.

Публікації за темою дисертації

1. Побигун А.М. Состояние механизации формирования соломы в стога и скирды // Таврійська державна агротехнічна академія - Вип.1. Т.12 - Мелітополь: ТДАТА, 2000. - c.87 - 94.

2. Бакарджиєв Р.О., Побігун А.М. Дослідження властивостей ущільнюваних стеблових матеріалів // Таврійська державна агротехнічна академія - Вип.1. Т.20 - Мелітополь: ТДАТА, - С.87 - 90. (Особистий внесок - теоретико-методична частина, проведення експерименту).

3. Пат. 38403А, Україна МПК А 01D85/00, Потоковий скиртоутворювач / Кисельов О.В., Побігун А.М. (Україна); ІМТ УААН. - №2000063840; Заявл. 29.06.2000, Опубл. 15.05.2001, Бюл. № 4, 2001. (Особистий внесок - розробка принципової схеми скиртоутворювача).

4. Пат. 40961А, Україна МПК А 01D85/00, Потоковий скиртоутворювач з ущільнюючим котком / Кисельов О.В., Побігун А.М. (Україна); ІМТ УААН. - №2000127023; Заявл. 07.12.2000, Опубл. 15.08.2001, Бюл. № 7, 2001. (Особистий внесок - розробка принципової схеми скиртоутворювача).

5. Побігун А.М. Удосконалена конструкція потокового скиртоутворювача // Таврійська державна агротехнічна академія - Вип.1. Т.18 - Мелітополь: ТДАТА, 2003. - С.51 - 55.

6. Побігун А.М. Модернізований скиртоутворювач і технологічний процес його роботи // Таврійська державна агротехнічна академія - Вип.32 - Мелітополь: ТДАТА, 2004. - С.75 - 81.

7. Побігун А.М. Удосконалена лабораторна установка для визначення властивостей ущільнюваних стеблових кормів // Таврійська державна агротехнічна академія - Вип.11. - Мелітополь: ТДАТА, 2003. - С.77 - 82.

8. Побігун А.М. Розподіл щільності маси по висоті у скирти // Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи / Збірник матеріалів четвертої міжвузівської науково-практичної конференції аспірантів 5-7 жовтня 2004 р. Вінниця. - 2004. с.209 - 211.

9. Скляр О.Г., Побігун А.М. Дослідження процесу укладання скирт модернізованим скиртоутворювачем // Вісник Львівського державного аграрного університету. - Львів: ЛДАУ - 2004. - Вип.9. - 12 С.

10. Січкарь В.Ф., Побігун А.М. Комплексна оцінка конкурентоспроможності потокового скиртоутворювача з клапаном комбінованої дії // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА - 2005. - Вип.26. - С.114 - 120.

11. Побігун А.М. Засоби потокового формування скирт соломи // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА - 2007. - Вип.7. Т. 2 - С.53 - 61.

Размещено на Allbest.ru