Обґрунтування параметрів і режимів роботи вивантажувача траншейних сховищ з пило-гвинтовим відокремлювачем вертикальної подачі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

"ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА"

Обґрунтування параметрів і режимів роботи вивантажувача траншейних сховищ з пило-гвинтовим відокремлювачем вертикальної подачі

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Мілько Дмитро Олександрович

Глеваха - 2006

Анотація

Мілько Д.О. Обґрунтування параметрів і режимів роботи вивантажувача траншейних сховищ з пило - гвинтовим відокремлювачем вертикальної подачі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Глеваха, 2006.

Дисертація присвячена питанням створення вивантажувача консервованих кормів з пило - гвинтовим відокремлювачем вертикальної подачі, що дозволяє знизити енергоємність процесу вивантаження.

В роботі визначено основні фізико - механічні і технологічні властивості буртів консервованих кормів і відокремленої маси в режимі вертикальної подачі робочого органу, викладені результати теоретичних та експериментальних досліджень по визначенню і оптимізації параметрів й режимів його роботи.

Ключові слова: позиційний вивантажувач, пило - гвинтовий відокремлювач, консервовані корма, вертикальна подача, енергоємність.

Аннотация

Милько Д.А. Обоснование параметров и режимов роботы выгрузчика траншейных хранилищ с пило - винтовым отделителем вертикальной подачи. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машини и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Глеваха, 2006.

Диссертация посвящена вопросам создания выгрузчика консервированных кормов с пило - винтовым отделителем вертикальной подачи, методам анализа и оптимизации параметров выгрузчика, что обеспечивает повышение эффективности выгрузки кормов на фермах с поголовьем до 400 голов КРС и соответствует современным условиям кормопроизводства.

По полученным результатам, разработаны усовершенствованные математические модели технологического процесса выгрузки консервированного корма пило - винтовым рабочим органом с вертикальной подачей.

Разработана программа и методика проведения экспериментальных исследований по определению таких физико - технологических свойств монолитов консервированных кормов, как граничные напряжения сдвига, скалывания, сжатия, и разрыва. По данным проведенных экспериментов были разработаны регрессионные модели граничных напряжений сдвига, скалывания, сжатия и разрыва, в зависимости от длины частиц, заложенных в монолит, и от плотности кормового монолита.

Для проведения экспериментов использовали стандартизированное, а также оборудование, разработанное и изготовленное самостоятельно, которое наиболее близко соответствовало условиям исследуемого процесса.

Разработаны математические модели, которые являются эксплуатационными показателями процесса выгрузки консервированных кормов - зависимости продуктивности, мощности и энергоёмкости от конструктивно - технологических параметров (скорость подачи рабочего органа, высота расположения слоя выгружаемого корма, количество ножей расположенных на шаге винта и величина заглубления рабочего органа).

Сравнительная оценка экспериментальных зависимостей с расчётными зависимостями показали справедливость проведенной теоретической работы, что позволяет применять их для выбора основных параметров, которые бы обеспечивали оптимальную продуктивность при сравнительно невысокой энергоёмкости рабочего органа.

Результаты проведенных исследований были использованы при создании выгрузчика “Фрезер - Вертикаль” (разработано техническое задание).

Полученные результаты исследований процесса выгрузки консервированного корма из траншейных хранилищ пило - винтовым рабочим органом вертикальной подачи, говорят о значительном повышении продуктивности - до 37.08 т/час (10.3 кг/с) при достижении значения энергоёмкости - 1.2 кДж/кг, которые являются оптимальными и достигаются при скорости подачи рабочего органа - 0.038 м/с, скорости вращения винтов - 400 об/мин, скорости вращения отрезных пил - 1250 об/мин, диаметре винтов - 0.4 м, и количестве ножей на шаге винта равному 10 шт.

Ключевые слова: позиционный выгрузчик, пило - винтовой рабочий орган, консервированные корма, вертикальная подача, энергоёмкость.

Sammary

Milko D.A. Substantiation of parameters and modes of action trench storages unloader, with the saw - screw separator of vertical feeding. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.05.11 - The machines and means of mechanization of an agricultural production. - Glevaha, 2006.

The dissertation is devoted to questions of preserved forages unloader creation, with saw- a screw separator of vertical submission, to methods of the analysis and optimization of unloader parameters, that provides increase of efficiency of a unloading of forages on farms with a livestock up to 400 heads and corresponds to modern conditions of forages manufacturing.

Main physical-mechanical and technological properties of separated silage, interaction between silage and the working tool, results of theoretical and experimental research for determine and optimizing its operating and conditions are shown.

Key words: positioning unloader, saw-screw working tool, preserved forages, vertical feeding, power - consumption.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми обумовлена тим, що для інтенсифікації галузі тваринництва, зокрема, забезпечення якості та зниження втрат консервованих кормів, комплексну механізацію заготівлі кормів на фермах і в фермерських господарствах слід виконувати на основі електрифікованих ресурсо- і енергозберігаючих процесів.

Існуючі засоби механізації, які суттєво підвищують продуктивність процесу вивантаження та знижують його трудомісткість, мають велику масу, та значну питому енергоємність. Використання цих вивантажувачів на фермах з поголів'ям до 400 голів ВРХ приводить до необґрунтованої перевитрати електроенергії або паливно-мастильних матеріалів, що підвищує собівартість вивантаженого корму.

В умовах зменшення розмірів ферм слід вважати перспективним використання вивантажувачів силосу з вертикальною подачею відокремлювача, який характеризується невисокими питомими показниками витрат енергії, при незначній масі і пристосований до фізико - механічних властивостей кормових монолітів. Проте використання таких робочих органів не здійснюється на практиці в умовах ферм з поголів'ям до 400 голів ВРХ, оскільки дослідження пило - фрезерних, пило - гвинтових робочих органів у фрезерувально - зчісуючому режимі з вертикальною подачею дотепер не проводилось за відсутністю потреби у цьому. Тому виникає необхідність дослідження роботи пило - гвинтового відокремлювача (як найменш енергоємного) у фрезерувально - зчісуючому режимі з вертикальною подачею для застосування його на електрифікованих мобільних вивантажувачах консервованих кормів. Це дасть змогу вирішити й реалізувати на практиці технологію, яка підвищує ефективність використання траншейних сховищ на фермах та знизить витрати праці на етапі вивантаження.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з планом держбюджетних НДР Інституту механізації тваринництва Української академії аграрних наук за темою: “Створити засоби комплексної механізації траншейних сховищ консервованих кормів” (держреєстрація № 0101U007028), що входить до галузевої науково-технічної програми Української академії аграрних наук “Механізація сільського господарства та технічний сервіс”.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є зниження питомих енерговитрат і підвищення продуктивності вивантаження консервованих кормів із траншейних сховищ, шляхом вдосконалення технологічного процесу і застосування раціональних режимів роботи і параметрів відокремлювача.

Для досягнення поставленої мети визначені наступні задачі досліджень:

- обґрунтувати тип робочого органу вивантажувача і вдосконалити схему технологічного процесу;

- вдосконалити математичні моделі, що відтворюють процеси взаємодії робочого органу з монолітом грубого корму в режимі вертикальної подачі;

- визначити вплив конструкційних і режимних параметрів пило - гвинтового відокремлювача на технологічні і енергетичні показники процесу (продуктивність, енергоємність);

- дослідити фізико-механічні властивості моноліту корму при взаємодії з робочим органом;

- провести виробничу перевірку і оцінити ефективність роботи вивантажувача.

Об'єкт дослідження - електрифікований вивантажувач з пило-гвинтовим відокремлювачем, технологічний процес відокремлення і вивантаження маси з траншейних сховищ, кормові бурти (грубий корм, силос).

Предмет дослідження - фізика явищ, що виникають при взаємодії робочого органу з монолітом корму та їх вплив на технологічні і енергетичні показники процесу вивантаження.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач досліджень було використано класичні положення математики, фізики, теоретичної механіки і опору матеріалів; теорію розмірностей; теорію різання; графоаналітичні методи; теорію інженерного експерименту; електричне вимірювання електричних і неелектричних величин; методи статистичного аналізу експериментальних даних і математичне моделювання з використанням ЕОМ і комп'ютерних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- одержано математичні моделі (аналітичні співвідношення) взаємодії робочих органів з монолітом корму і на їх основі визначено залежності продуктивності та енергоємності вивантажувача від конструкційних і режимних параметрів. Встановлено закономірності змінення фізико - механічних властивостей монолітів корму при дії робочих органів;

- вперше виконана оцінка впливу конструкційних та режимних параметрів пило - гвинтового відокремлювача на продуктивність та енергоємність процесу вивантаження при вертикальному переміщенні;

- дістало подальший розвиток експериментальне визначення закономірностей змінення граничних напружень деформацій і сколювання в кормовому моноліті в залежності від стану маси; отримано залежність зусилля відокремлення і подрібнення від технологічних параметрів роботи відокремлювача;

- аналітично визначено і експериментально підтверджено вплив конструкційних та режимних параметрів пило-гвинтового відокремлювача з вертикальним переміщенням на його продуктивність та витрати енергії при врахуванні фізико-механічних характеристик моноліту корму;

- вперше отримані регресивні моделі залежностей продуктивності і енергоємності пило - гвинтового відокремлювача з вертикальною подачею від конструкційних параметрів та режимів роботи, на основі яких виявлено режими роботи, які забезпечують мінімальні витрати енергії.

Практичне значення отриманих результатів. Вдосконалено технологію вивантаження консервованих кормів пило-гвинтовим робочим органом. Обґрунтовані раціональні конструктивні та режимні параметри робочого органу і розроблено методику інженерних розрахунків. Створено і випробувано в умовах виробництва дослідний зразок позиційного електрифікованого вивантажувача консервованих кормів. Розроблений зразок дає можливість підвищити продуктивність праці на 25% у порівнянні з серійним зразком ПСК-5А. Новизна технічного рішення захищена деклараційним патентом України.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації отримані автором самостійно. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем обґрунтовано основні режими роботи пило-гвинтового відокремлювача [3], обґрунтовано і впроваджено технологію вивантаження консервованих кормів пило - гвинтовим відокремлювачем вертикальної подачі [5]. У технічному рішенні [7], новизна якого захищена деклараційним патентом України на корисну модель, частка всіх співавторів однакова.

Апробація результатів дисертації. Матеріали основних положень дисертаційної роботи доповідались й одержали схвалення на щорічних науково-технічних конференціях ННЦ „ІМЕСГ” у 2002 - 2005 рр.; міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології і технічні засоби механізації і електрифікації сільськогосподарського виробництва”, яка відбулася в Інституті механізації тваринництва Української академії аграрних наук (м. Запоріжжя) в 2002 р.; науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу аспірантів та магістрів Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь) у 2003 - 2004 рр.

2. Основний зміст роботи

У вступі наведено загальну характеристику роботи, яка підкреслює її актуальність, наукову новизну і практичне значення; визначено об'єкт дослідження, сформульовано мету і задачі дослідження.

У першому розділі “Сучасний стан питання й задачі механізації вивантаження траншейних сховищ” наведено короткий огляд технологій, технічних засобів для заготівлі, зберігання і використання грубих консервованих кормів, а також аналіз стану механізації процесів вивантаження силосу і сінажу з траншейних сховищ та результатів наукових досліджень у цьому напрямку.

Загальним питанням створення засобів механізації заготівлі, зберігання і використання грубих та консервованих кормів присвячені роботи Ю.Ф. Новікова, Є.І. Храпача, Ю.О. Чурсінова, В.С. Сечкіна, В.В. Шацького, А. Залигіна, В.Ф. Кузьменка та інших.

Розробці науково-технічних основ створення і використання засобів механізації вивантаження траншейних сховищ присвячені роботи В.А. Зуєва, Є.І. Храпача, О.М. Семеніхіна, Н.П. Волосевича, А.А. Кутлембетова, П.Д. Сокольника, В.П. Білова, М.О. Олексенка, О.О. Воронкова, Л.І. Хворостянова, Г.І. Єрмохіна, А.Н. Крамаренка, В.Д. Ткача, О.І. Логвіна, О.В. Кисельова, О.В. Болтянського та інших вчених.

Дослідження головним чином були спрямовані на виконання процесу відокремлення корму від моноліту і зниження питомої енергоємності шляхом пошуку найбільш раціональних конструкційних та кінематичних параметрів робочих орга - нів, зокрема, діаметра барабана, швидкостей різання і подачі, глибини врізання, конструкційного удосконалення ріжучих елементів та напрямку їх руху і т.п., при чому часто без врахування процесу подальшого транспортування корму і передачі його в приймальні пристрої навантажувача.

Аналізом засобів механізації вивантаження консервованих кормів з горизонтальних траншейних сховищ встановлено, що найменш енергоємними є позиційні високопродуктивні вивантажувачі з робочими органами, які виконують вивантаження корму зчісуванням або розшаруванням маси під час горизонтального руху робочого органу. Проте використання таких технологічних схем на вивантажувачах, призначених для ферм з поголів'ям до 400 голів ВРХ, недоцільно. Для них слід створити вивантажувач невисокої продуктивності з вертикальним переміщенням зчісуючого робочого органу. Тому у якості робочого органа електрифікованого вивантажувача консервованих кормів вибрано пило-гвинтовий відокремлювач, який використовувався для роботи у розшарувально - зчісувальному режимі при горизонтальній подачі.

Встановлено, що показниками ефективності вивантажувачів є питомі витрати енергії та коштів. Доведено, що найбільш ефективним способом вивантаження консервованих кормів є поєднання процесів зчісування та фрезерування.

На основі аналізу сформульовані задачі досліджень по розробці вивантажувача.

У другому розділі “Теоретичні передумови процесу вивантаження корму” розглянуто конструкційно-технологічну схему вивантажувача з пило-гвинтовим відокремлювачем вертикальної подачі і технологічний процес відокремлювання та вивантаження корму, виконано теоретичний аналіз основних етапів процесу, проаналізовано вплив конструкційних і режимних параметрів на продуктивність і енерговитрати робочого органу.

Робота відокремлювача відбувається при вертикальному переміщенні та зустрічному фрезеруванні гвинтом і різанні дисковими ножами переднього торця моноліту бурту.

При роботі відрізні пили і ножі гвинтів, які працюють у режимі зустрічного відокремлення маси, завдяки достатньому опору різанню, який створюється відокремлюваним пластом корму, прорізають у ньому щілини і цим самим частково подрібнюють корм. Так як бурт консервованого корму є анізотропним середовищем з пошаровою структурою при майже горизонтальному розташуванні шарів, то при повороті ножа на кут, достатній для початку сколювання стружки, різання припиняється і стружка починає згрібатися з горизонтальної площини міжгвинтового простору. При подальшому повороті ножа, як свідчать дослідження, стружка починає сколюватися під кутом до вертикалі. Відокремлювана стружка подається у приймальний пристрій вивантажувача а далі транспортером у транспортні засоби.

На відміну від роботи пило - гвинтового відокремлювача з горизонтальною подачею робота при вертикальній подачі, окрім спільних етапів зчісування і сколювання, має етап фрезерування вертикальної стінки відокремлюваного стовпа корму, на якому саме і відбувається додаткове подрібнення вивантажуваної маси.

Під час роботи, як відрізні пили так і гвинти одночасно обертаються і переміщуються, тобто приймають участь у відносному і переносному русі, рух їх точок є обертовим рухом миттєвого радіусу R_м навколо миттєвого центру обертання О₁, який змінює своє положення. При зустрічному русі, який має місце в даній конструкції, миттєвий центр обертання розташований вище від осі обертання відрізної пили чи гвинта на величину r, яка є радіусом уявного диска і дорівнює:

r =R_г/l, (1)

де R_г - фізичний радіус гвинта, м;

l - показник кінематичного режиму роботи, l =V/V_п;

V - лінійна швидкість обертання, V = щ_гR_г, м/с;

щ_г - кутова швидкість гвинтів, рад/с;

V_п - швидкість подачі відокремлювача, м/с.

Так як має місце прямолінійне переміщення осей обертання, то траєкторія руху точок відрізної пили і гвинта відбувається за циклоїдою.

В процесі вивантаження корму додаткове подрібнення маси виконується, в основному, на ділянці фрезерування кормового моноліту ножами гвинта. Цей процес супроводжується постійною зміною товщини стружки відповідно до кінематичних і динамічних показників процесу.

Запропоновані рядом авторів вирази для визначення товщини стружки, яка змінюється від 0 до 2рR_г/l, передбачають ті чи інші допущення, через що використовувати їх формули можна лише при умові, що l ?200, при менших показниках кінематичного режиму роботи відхилення розрахункової величини від дійсної залежить від положення ріжучого елемента і у ряді випадків сягає 50 %.

Дійсна величина стружки визначається як відстань між точками перетину радіусом, що визначає положення ріжучого елемента, який розглядається в даний час, траєкторії його руху і руху попереднього ріжучого елемента. Але, так як ці траєкторії є циклоїдами, то отримуваний вираз у загальному вигляді не визначається елементарними функціями кута повороту ріжучого елемента і є занадто громіздким та не придатним для практичного використання.

Виходячи з цього дійсну товщину стружки h_c пропонується визначити за виразом, який на відміну від інших, дає змогу мати її значення на протязі всього шляху фрезерування:

h_c =[(x_C -x_B)² +(y_C -y_B)²]^1/2. (2)

Тут координати точки С знаходяться з виразів

x_C =R_гsinц, (3)

y_C =R_гcosц, (4)

а точки В з рішення системи рівнянь, які визначають радіус ріжучого ножа і траєкторію попереднього його проходу, тобто:

 (5)

де ц - кут між положенням ріжучого елемента і горизонталлю у момент часу t, тобто ц =щ_гt, рад.

Розв'язання системи рівнянь (5) за допомогою ЕОМ дало змогу отримати графічні залежності товщини стружки від кута повороту ріжучого елементу , кінематичного показника , та радіуса гвинта R_г.

Отримані залежності показують, що зміна товщини стружки в залежності від кінематичного показника має лінійний характер і збільшується дуже повільно і практично не впливає на товщину стружки, тоді як в залежності від кута повороту ріжучого елементу та радіусу гвинта, товщина стружки збільшується більш інтенсивно.

Зважаючи на те, що частки подрібнених стебел консервованого корму у бурті траншейного сховища орієнтовані горизонтально, процес фрезерування триває від початку контакту ножа з буртом корму і доки величина сили защемлення частки корму в бурті буде перевищувати горизонтальну складову зусилля опору різання цієї частки (рис. 4).

Так як напрям зусилля різання співпадає з напрямом абсолютної швидкості, можна записати умову фрезерування:

P_з >F_p, (6)

де P_з - зусилля защемлення частки корму в бурті, кН;

F_р - зусилля різання частки корму, кН;

ц_p - кут між положенням ріжучого елемента і горизонталлю у момент закінчення процесу різання бурта корму, рад.

Таким чином фрезерування відбувається під час повороту гвинта на кут:

ц >р/2 +ц_г -ц_р. (7)

За умови циклоїдального руху ножа процес зчісування відбувається при подальшому повороті ножа на кут від ц_р до р/2 -arctg(sin ц _с.+1/л)/cos ц _с, тобто до початку сколювання шару відокремленої маси, яке відбувається під кутом ц_с до горизонталі у момент, коли кут положення ножа з вертикаллю дорівнюватиме ц_с.

При зчісуванні корму з міжвиткового простору витком гвинта його абсолютна швидкість буде:

V_га =щ_г[S_г² +(R_г/л)²]^1/2, (8)

а кут між її напрямом і горизонталлю становитиме:

б_н =arcctg[R_г/(лS_г)]. (9)

За умови зчісування шару корму з площини бурта і умов його плоского напруженого стану повинна виконуватись умова:

у_cтtgб_н =ф_з, (10)

Де у_ст - критичне напруження стиснення при вертикальному прикладанні зусилля, кПа;

ф_з - критичне напруження зсуву при горизонтальному прикладанні зусилля, кПа.

З несуттєвими припущеннями можна записати:

л ?, (11)

Де S_г - крок гвинта, м.

Цей вираз показує зв'язок кінематичного режиму з конструкційними параметрами (R_г, S_г) і фізико-механічними властивостями бурта корму (у_cт, ф_з).

Технологічний процес вивантаження корму пило-гвинтовим робочим органом ділиться на два етапи - відокремлення і транспортування корму. В свою чергу кожний з них можна розділити на фази: пружне стиснення та різання бурта і зчісування та кидання. Так як цей технологічний процес характеризується наявністю холостого ходу робочого органа, то його можна описати раціональною формулою В.П. Горячкіна, яка враховує відокремлення матеріалу від загальної маси, надання йому кінетичної енергії і опір холостого руху:

P_? =P +P_п +P_х, (12)

де P_? - сумарне зусилля, пов'язане з відокремленням матеріалу від суцільного середовища, кН;

P - зусилля відокремлення і подрібнення маси, кН;

P_п - зусилля транспортування, кН;

P_х - зусилля холостого ходу, кН.

У нашому випадку до зусилля холостого ходу доцільно включити і зусилля відокремлення переднього торця вивантажуваного стовпа корму відрізними дисковими пилами.

Моноліти консервованих кормів через властиву їм горизонтальну орієнтацію часток корму мають яскраво виражений анізотропний характер, у результаті чого їх можна вважати однорідними анізотропними монолітами, які характеризується модулем пружності першого роду (модулем Юнга) і коефіцієнтом Пуассона, тобто підлягають закону Гука, а руйнування має безударний характер. Ґрунтуючись на цьому, приймаємо статичну модель руйнування і на її основі користуємось теорією пружності.

При дії ріжучих елементів гвинта осадка деформації моноліту змінюється як з кутом повороту гвинта, так і по довжині ріжучого елемента, тобто по радіусу гвинта в межах товщини стружки. Так як товщина стружки в порівнянні з розмірами гвинта і його діючих елементів незначна, можна припустити, що осадка моноліту по радіусу постійна і дорівнює осадці на його радіусі.

Просторова модель дії ножа гвинта на моноліт бурта корму дозволяє визначити реакцію пружної основи - моноліту бурта корму на абсолютно жорстку балку - ніж гвинта. Для спрощення рішення цієї моделі застосовано принцип Сен-Венана. У процесі відокремлення корму від моноліту бурта ріжучий гвинт діє на нього гранями ріжучих елементів - ножів. Причому, так як реакція пружної основи спрямована по нормалі до ножа, непрямолінійність траєкторії його руху не враховується.

У даній схемі гвинт, який виконує прямолінійний переносний рух відноситься до нерухомої прямокутної системи координат, розміщеній так, що вісь аплікат суміщається з віссю обертання гвинта, вісь абсцис спрямована в сторону робочого переміщення відокремлювача, а вісь ординат - горизонтально. Вісь рухомої прямокутної системи координат, розміщено так, що вісь Oн спрямована по радіусу ножа, а вісь Oо - перпендикулярно до неї. Таким чином система координат нzо обертається і переміщується відносно системи координат xyz.

Реакція моноліту під час фрезерування при вертикальній подачі представлена розподіленим навантаженням під ножем і зосередженим від деформації маси за його межами, тому область дії ножа на кормовий моноліт, на першому етапі розбивається на три зони. Згідно теорії пружності у 1-й з них слід вирішити задачу про плоский штамп на пружній основі, у 2-й - зосередженому зусиллі на плоскій пружній основі, у 3-й - об'ємний штамп на пружній основі.

Зусилля P'₁, яке діє на ніж у 1-й зоні, викликане реакцією моноліту корму безпосередньо під ножем, являє собою розподілене навантаження, значення якого описується співвідношенням:

P'₁ = C_кk_пh_сн , (13)

Де C_к - деформація кормового моноліту під ножем, С_к =R_гш_г; м;

ш_г - кут повороту гвинта при деформації, виконуваної його діючим елементом, ш_г =ц+arctg[2рR_г/(S_г²+4р²R_г²)^1/2/tgд/2]; рад.;

ц - кут, пройдений діючим елементом гвинта під час дії на моноліт, рад;

д - кут загострення ножа, рад;

k_п - коефіцієнт постелі, який характеризує роботу моноліту корму на стиснення, для першої зони деформації, ; кПа;

b_н - товщина ножа, м;

H - висота пружної основи в першій зоні, H =R_гш_г[6(1-м)/(1-2 м)]^1/2/tgц; м;

E - модуль пружності першого роду (модуль Юнга), кПа;

м - коефіцієнт поперечної деформації, або коефіцієнт Пуассона;

h_сн - величина стружки, розміщеної вздовж грані ножа, h_сн =h_с/cos; м.

Використовуючи модель пружної основи (П. Пастернак, В.Власов) з двома характеристиками: t - яка враховує вплив дотичних напружень на пружній основі та k - яка враховує роботу пружної основи на стиснення, отримано функції деформації (переміщення) моноліту вздовж осі - V() та вдовж осі Z - V(Z).

V(о) =C_оexp[б(о-r_z)], (14)

V(z) =C_zexp[б(z-b_н/2)], (15)

де r_z - відстань від точки прикладення результуючої сили до кінця ножа. З огляду на незначну товщину стружки можна допустити, що результуюча сила прикла дена до кінця ножа, це також стосується і товщини ножа b_н, м;

б - відношення, визначене виразом б =[k_п/(2t)]^1/2;

t - характеристика постелі, яка визначається для першої зоні як:

t₁ = EH_zb_н /[12(1 +м)], кН.

Деформація бурта корму в другій зоні, спрямована вздовж осі гвинта (осі z), описується залежністю:

V₂(z) =C_кexp(-бz). (16)

Осадка моноліту в третій зоні описана в циліндричних координатах за допомогою модифікованого диференційного рівняння Бесселя:

+*- б C(с) =0 (17)

де с - радіус полярних координат, м.

Подальший етап зчісування з горизонтальної площини, у зв'язку з відсутністю суттєвих горизонтальних зв'язків між шарами корму в моноліті, не має 1-ї і 3-ї зон поза ножем.

Таким чином, загальні зусилля корму відповідно при вертикальному фрезеруванні і горизонтальному зчісуванні відповідно запишуться так:

Pф = sinшз'(bнtgцз/ш'з +2Rг)+

++, (18)

P_зч = sinш_з'(b_нtgц_з/ш'_з +2R_г). (19)

Із виразів (18) і (19) випливає, що реакція корму на елементи ротаційного робочого органу, а отже і енергоємність процесу відділення, при вертикальній подачі вища, ніж при горизонтальній.

Так як взаємозв'язок модуля пружності при зсуві G і модуля першого роду E представляється залежністю G =E/[2(1+)], можна вважати, що в першій і другій зонах деформацій, як при вертикальній, так і горизонтальній подачах, корм відділяється зсувом.

Реакція моноліту в третій зоні при вертикальній подачі робочого органа крім залежності G =E/[2(1+)] може бути описана модулем об'ємної пружності К =Е/[3(1-2)], тобто в цій зоні відбувається подвійна дія робочих елементів на моноліт - як зсувом відокремлюваного стовпа корму, так і об'ємною деформацією частини моноліту, яка залишилася.

Таким чином підтверджується поєднання процесів фрезерування і зчісування корму пило-гвинтовим робочим органом при вертикальній подачі.

Ґрунтуючись на принципі Сен-Венана, де йдеться про стрімке зменшення величини деформації основи з віддаленням від місця прикладання зусилля, можна нехтувати взаємним впливом деформацій від сусідніх ножів. Тоді сумарне колове зусилля на радіусі гвинта при фрезеруванні буде визначатись:

Pр = ( b_нtgц_з/ш'_з +2Rг)+

++. (20)

При зчісуванні, в зв'язку з малою висотою знімаємого шару корму, все колове зусилля практично припадає на один ніж.

У третьому розділі “Експериментальні дослідження процесу вивантаження корму” викладено методику планування експериментальних досліджень, дано опис експериментальних стендів і обладнання, наведено результати дослідження фізико-механічних властивостей консервованих кормів при вертикальній подачі пило - гвинтового відокремлювача, а саме - граничні напруження сколювання при горизонтальному навантажені - ф_с, зсуву - ф_з, стиснення - ф_ст, кут між горизонталлю і напрямом абсолютної швидкості кромки витка у момент кінця різання - ш_ф, наведено аналіз регресивних моделей.

Для проведення експерименту використана трирівнева матриця оптимального плану Бокса (В₂), для трифакторного - матриця (В₃), для чотирифакторного - матриця (В₄).

При проведені лабораторних та експериментальних досліджень були прийняті такі рівні та інтервали варіювання факторів. Висота розташування шару Н змінювалася від 0 до 4 м, з інтервалом 2 м, глибина врізання L - від 0.3 до 0.7 м, з інтервалом 0.2 м, швидкість вертика-льної подачі V_п - від 0.02 до 0.04 м/с з інтервалом 0.01 м/с, кількість ножів на кроці гвинта n - від 0 до 10 шт. з інтервалом 5 шт., густини бурта с_б - від 500 до 900 кг/м³, довжина часток корму l - від 10 до 80 мм, при проведенні експерименту значення густини кормового моноліту та довжини часток корму, були натуральні.

Проведено дослідження властивостей кормів при вертикальній подачі пило-гвинтового робочого органу, експериментальну перевірку результатів аналітичних досліджень та дослідження пило - гвинтового відокремлювача, дослідження енергетичних показників і продуктивності, проведено аналіз впливу варійованих факторів на основні показники виванажувача.

Результати досліджень граничних напружень деформацій корму в бурті, при розриві - у_р, стисненні у_ст, зсуві - ф_з та сколюванні - ф_с (кПа) від довжини часток l (мм) та густини бурта (кг/м³) наведені у вигляді рівнянь регресії та поверхонь відгуку :

у_р =-5.5026+0.0218-0.215l-5.4286*10^-62+0.0008l-0.0001l²; (21)

у_ст =-6.3259+0.086-0.82l-6.5143*10^-62-0.0007l+0.0105l²; (22)

ф_з =11.9389-0.035-0.0638l+3.1921*10^-52+0.0003l-5.6295*10^-5l²; (23)

ф_с =28.702-0.0786-0.4408l+6.1543*10^-52+0.0012l-0.0006l². (24)

Узагальнений аналіз графіків свідчить про подібність характеру залежностей граничних напружень розриву, зсуву та сколювання від довжини часток корму та густини кормового моноліту, де при збільшенні довжини часток корму і густини кормового моноліту відбувається підвищення опору розриву, зсуву, стисненню та сколюванню. Опір стисненню зростає більш інтенсивно у порівнянні з граничними напруженнями розриву, зсуву та сколювання при підвищенні густини кормового моноліту та збільшенні довжини часток корму.

Отримано рівняння регресії експериментальної P_е (V_п, n) і теоретичної P_р (V_п, n) залежностей зусиль на радіусі гвинта:

P_е =1113.1968-3.8913V_п-10.6274n+0.0054V_п²+0.0001V_пn+1.9423n²; (25)

P_р =1394.5873-5.4263V_п-20.1619n+0.0071V_п²+0.0244V_пn+2.5333n². (26)

Оптимальними параметрами залежності (25) є швидкість подачі 0.038 м/с і кількість ножів на кроці гвинта 2.7, де зусилля відокремлення корму становить 404.6 кН; для залежності (26) - швидкість подачі 0.035 м/с і кількість ножів на кроці гвинта 2.2, де зусилля відокремлення корму становить 370.5 кН.

При експериментальних дослідженнях було визначено продуктивність вивантаження і потужність приводу та, виходячи з них, розрахункову енергоємність процесу.

Продуктивність Q (кг/с) в залежності від робочих параметрів наведено у вигляді:

Q=0.031+0.8756H-0.1111L-6.3194Vп+0.0822n-0.0104HL+0.625HVп+447.9167LVп-0.0125Ln-3.3333Vпn-0.225H²-25HLVп. (27)

Рівняння регресії потужності у кВт представлено як

N=17.3475-8.3822H-32.7581L-410.1273Vп+0.2328n+20.9219HL+ 269.5313HVп+97.9167LVп+0.2125Ln+0.8750Vпn+0.5887H2-842.1875HLVп.(28)

Рівняння регресії у кДж/кг відповідно буде виглядати як

E=9.6741-0.3756H-17.866L-17.7816Vп+0.22n+1.6727HL+13.1839HVп+

+57.9375LV_п-0.1579Ln-2.7863V_пn+0.1351H²-78.7656HLV_п. (29)

Аналіз парних взаємодій факторів ширини захвату робочого органа і кількості ножів на кроці гвинта показує, що продуктивність вивантаження при малій ширині захвату майже не залежить від кількості ножів, але із її збільшенням і збільшенням ширини захвату знижується, що пояснюється зменшенням транспортуючих можливостей гвинтів.

Питома енергоємність пов'язана зі зміною продуктивності і потужності і зростає зі зниженням ширини захвату, що можна пояснити характером зміни потужності і продуктивності процесу.

Для порівняння отриманих розрахункових та експериментальних даних питомої енергоємності збудовано графік залежності її від продуктивності вивантаження консервованого корму.

Залежність додаткового подрібнення при вивантаженні силосу, тобто відношення вихідної довжини часток до середньої від кількості ножів на кроці гвинта n і швидкості подачі V_п, та середньої довжини часток l, які були прийняті 10, 30 і 80 мм, одержана на основі використання трьохфакторного плану Бокса В₃.

У результаті обробки даних експерименту отримано регресійну залежність функції відгуку:

=1.1569+0.034l+0.056n-0.019V+0.0013ln-0.0013lVп-

-0.0013nV_п+0.0181l²-0.0419n²-1.869V_п². (30)

Аналіз цього рівняння показує, що найбільше додаткове подрібнення вивантажуваної маси ( =1.247) відбувається для часток з довжиною 80 мм при 8 ножах на кроці гвинта і швидкості подачі 0,02 м/с.

У четвертому розділі “Апробація вивантажувача в умовах виробництва” наведено результати та проведена порівняльна оцінка апробації відокремлювача в умовах виробництва. Розроблено методику вибору та розрахунку основних конструкційно-технологічних параметрів вивантажувача консервованих кормів із траншейних сховищ. Виконано оцінку економічної ефективності вивантажувача консервованих кормів з пило - гвинтовим робочим органом вертикальної подачі, зроблено висновки.

В результаті виробничих випробувань встановлено, що продуктивність вивантаження на різних режимах становила 5.3 - 10 кг/с, при потужності приводу від 12.3 до 18.4 кВт. Робота вивантажувача була безперервною і стабільною.

Питома енергоємність, яка визначається відношенням споживаної потужності до продуктивності вивантаження отримана на основі даних виробничої апробації і представлена рівнянням:

E = 6.9403- 1.046Q +0.0487Q². (31)

З аналізу рівняння (31) випливає, що мінімальний показник енергоємності при вертикальній подачі 1.2 кДж/кг при продуктивності 10.3 кг/с. практично співпадає з енергоємністю горизонтальної подачі при цій продуктивності, але сягає 3.5 кДж/кг для оптимальних параметрів горизонтальної подачі, показник якої 0,9 кДж/кг при продуктивності 16.7 кг/с.

Впровадження вивантажувача консервованих кормів із траншейних сховищ на фермах у порівнянні з навантажувачами ПСК-5А і Торіх 21 дає змогу підвищити продуктивність вивантаження на 56 і 50 % відповідно, зменшити питомі капітальні вкладення з 3.54 і 2.59 грн/т, до 2.04 грн/т, одержати економічний ефект більший на 230.67 грн ніж у ПСК - 5А, та на 3578.68 грн більший ніж у Торіх 21. Термін окупності вивантажувача при цьому становить на 10.2 роки менше ніж у ПСК -5А, та на 0.7 років менше ніж у Торіх 21.

корм відокремлювач сховище

Висновки

Аналізом результатів наукових досліджень способів і технічних засобів вивантаження консервованих кормів з траншейних сховищ встановлено, що існуючі засоби характеризуються низькою питомою продуктивністю, високою енергоємністю, що призводить до низької ефективності їх використання на фермах з поголів'ям до 400 голів ВРХ. Найбільш перспективним напрямком підвищення ефективності вивантаження сховищ є використання пило - гвинтових робочих органів з вертикальним переміщенням.

Розроблено математичні моделі взаємодії пило-гвинтових робочих органів вертикальної подачі з кормовим монолітом, які дають змогу кількісно оцінити вплив і змінення конструкційних і режимних параметрів на продуктивність і енергоємність процесу. Аналізом отриманих аналітичних виразів встановлено, що енерговитрати неоднозначно залежать від кількості ножів на кроці гвинта та його діаметру. Оптимальне значення діаметру гвинта лежить в межах 0.45-0.55 м., а збільшення кількості ножів на кроці гвинта більш ніж 10 штук недоцільно.

Отримані розрахункові формули для визначення загальних зусиль відокремлення корму від моноліту пило-гвинтовим відокремлювачем вертикальної подачі достатньо повно відображають реальні процеси.

На основі даних багатофакторних експериментів отримано адекватні

(з вірогідністю 0.95) регресійні моделі залежностей напружень стиснення, зсуву, розриву і сколювання кормового моноліту від фізико - механічних властивостей моноліту (довжина часток і густина маси). які можна використовувати для розрахунків конструкційних і режимних показників відокремлювачів пило-гвинтового типу з використанням розроблених аналітичних моделей.

Найменші зусилля розриву становить 10.5 кПа, зусилля стиснення - 12.6 кПа, зусилля зсуву - 4.5 кПа, зусилля сколювання - 9.2 кПа при довжині часток найкращої для поїдання тваринами і густині моноліту - 700 кг/м3 (оптимальна густина для збереження корму).

За даними експериментальних досліджень та виробничої перевірки встановлено, що найбільше додаткове подрібнення ( = 1.247 - ступінь зменшення розміру) відбувається для часток 80 мм, при 8 ножах на кроці гвинта і швидкості подачі 0.02 м/с.

Оптимальними параметрами та режимами роботи пило-гвинтового відокремлювача вертикальної подачі при вивантаженні грубих кормів із сховищ за критерієм енергозбереження визначено: частота обертання гвинтів - 400 об/хв., кількість ножів на кроці гвинта - 6-8 штук, діаметр гвинта - 0.4 м, швидкість подачі - 0.037-0.039 м/с, ширина захвату - 0.7 м, глибина врізання - 0.7 м.

За результатами виробничої перевірки встановлено, що при мінімальних витратах енергії 1.2 кДж/кг забезпечується продуктивність 10.3 кг/с (37.08 т/год). Питома продуктивність збільшена на 30 %, а питома енергоємність зменшена на 40 - 60 %, у порівнянні з існуючими зразками, в залежності від складу закладеного корму.

Застосування позиційного вивантажувача (Фрезер-Вертикаль) в порівнянні з існуючим ПСК-5А дозволяє підвищити продуктивність вивантаження на 56 %, та зменшити питомі капітальні вкладення з 3.54 грн/т.- ПСК -5А, до 2.04 грн/т, одержати економічний ефект більший на 230.67 грн ніж у ПСК - 5А, та на 3578.68 грн більший ніж у Торіх 21. Термін окупності вивантажувача при цьому становить на 10.2 роки менше ніж у ПСК -5А, та на 0.7 років менше ніж у Торіх 21.

Список опублікованих наукових праць

1 Мілько Д.О. Параметри вертикальної подачі при вивантаженні консервованих кормів пило - гвинтовим робочим органом// Праці / Таврійська державна агротехнічна академія Мелітополь: ТДАТА, 2003. - Вип.11. - С. 65 - 68.

2 Мілько Д.О. Теоретичні дослідження параметрів засобу для комплексної механізації траншейних сховищ консервованих кормів// Праці / Таврійська державна агротехнічна академія Мелітополь: ТДАТА, 2004. - Вип. 17. - С. 97 - 100.

3 Болтянський Б.В., Мілько Д.О., Бутко В.Д. Перехідні режими роботи пило - гвинтового відокремлювача // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія Мелітополь: ТДАТА, 2004. - Вип. 23. - С. 7-13.

4 Мілько Д.О. Експериментальні дослідження пило - гвинтового відокремлювача вертикальної подачі для малих ферм // Вісник харківського національного технічного університету сільського господарства. Харків., 2004. Вип. 28, т.2. С. 83 - 89.

5 Котов Б.І., Мілько Д.О. Впровадження технології вивантаження консервованих кормів пило - гвинтовим робочим органом вертикальної подачі для малих ферм // Науковий вісник національного аграрного університету. К., 2005. т. 80 ч. 1 - С. 152 - 155.

6 Мілько Д.О. Експериментальні дослідження процесу вивантаження консервованих кормів пило - гвинтовим робочим органом. // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Кіровоград. 2005. Вип. 35. - С. 403 - 405.

7 Навантажувач кормів: патент № 8583 Україна, мки а01d 87/02 / Мілько Д.О., Кисельов О.В. - № 200500109; Заявл. 30.03.2005; Опубл. 15.08.2005, бюл. № 8.

Размещено на Allbest.ru