Обґрунтування конструктивних параметрів і режимів роботи протипотокового пиловіддільника повітря в кабінах тракторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 62.784.431:621.928.93

Спеціальність 05.22.02 - автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ І РЕЖИМІВ РОБОТИ ПРОТИПОТОКОВОГО ПИЛОВІДДІЛЬНИКА ПОВІТРЯ В КАБІНАХ ТРАКТОРІВ

Мохнатко Ірина Миколаївна

Харків - 2011



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Таврійському державному агротехнологічному університеті Міністерство аграрної політики України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Рогач Юрій Петрович - Таврійський державний агротехнологічний університет, завідувач кафедри охорони праці та безпеки життєдіяльності

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Батлук Вікторія Арсеніївна, Національний університет «Львівська політехніка», професор кафедри охорони праці

кандидат технічних наук, доцент, Грибініченко Михайло Володимирович, Східноукраїнський університет імені В.Даля, доцент кафедри транспортні технології

Захист відбудеться « 22 » червня 2011 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002. м. Харків, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002. м. Харків, вул. Петровського, 25

Автореферат розісланий « 20 » травня 2011 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Наглюк І.С.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота значної кількості тракторів, які працюють на обробці ґрунту і збиранні врожаю проводиться в умовах великої запиленості повітря, яка залежить від напрямку і швидкості руху зовнішнього повітря, структури та вологості ґрунту, який обробляється, швидкості руху та іншого.

Вимоги стандартів, які визначають параметри мікроклімату та нормують вимоги до обладнання робочих місць, як показує практика, на більшості тракторів не дотримуються через те, що вирішуються, в основному, тільки за рахунок герметизації кабіни та встановлення систем вентиляції з пиловловлювачами. Відомо, що найбільше поширення в цих системах отримали ротаційні пиловловлювачі, які мають певну ефективність роботи та відповідні аеродинамічні характеристики, але досягти за їх рахунок вимог гранично допустимих концентрацій не вдається.

Тому дослідження і розробка удосконаленої конструкції ротаційного пиловловлювача для його впровадження в систему вентиляції кабін тракторів є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана відповідно до плану наукових досліджень Таврійського державного агротехнологічного університету (м. Мелітополь) на 2008_2010 роки, за програмою науково-дослідного інституту агротехнологій та екології: «Розробка технологій вирощування й первинної обробки продукції рослинництва у степовій зоні України в умовах глобального потепління», за підпрограмою №5 «Розробка заходів щодо охорони праці й безпеки виробництва сільськогосподарської продукції» (державний реєстраційний номер 0107U008970).

Мета та задачі дослідження є підвищення санітарно-гігієнічних умов праці за рахунок кращого очищення повітря в кабінах тракторів шляхом створення високоефективного протипотокового ротаційного пиловіддільника.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

проаналізувати існуючі засоби пиловідокремлення, виявити їх недоліки і запропонувати напрямки підвищення ефективності очищення повітря в кабінах тракторів;

обґрунтувати основні конструктивні параметри протипотокового ротаційного пиловіддільника для системи очищення повітря від пилу;

одержати математичні залежності, які дозволять визначити вплив конструктивних параметрів пропонованого протипотокового ротаційного пиловіддільника на процес очищення повітря від пилу;

розробити нову конструкцію протипотокового ротаційного пиловіддільника; санітарний протипотоковий пиловіддільник трактор

розробити програму і методику експериментальних досліджень протипотокового ротаційного пиловіддільника;

провести експериментальні дослідження запропонованої конструкції протипотокового ротаційного пиловіддільника в зіставленні його з відомими розробками пиловіддільників;

оцінити ступінь впливу швидкості руху трактора на запиленість повітря в кабіні та експериментально визначити залежність запиленості повітря в робочій зоні тракториста від напрямку та швидкості вітру;

оцінити техніко-економічну ефективність роботи нового пиловіддільника.

Об'єктом дослідження є процес очищення повітря від пилу в кабіні тракторів за допомогою роторних протипотокових відцентрових пиловловлювачів.

Предметом дослідження є закономірності впливу параметрів ротаційного протипотокового пиловіддільника на ефективність очищення ним повітря в кабіні трактора.

Методи досліджень. Вибір параметрів і режимів роботи нового протипотокового пиловіддільника здійснювався шляхом моделювання на ЕОМ умов його функціонування і базувався на положеннях теоретичної механіки та гідравліки. Експериментальні дослідження проводилися із застосуванням методик планування багатофакторного експерименту.

Для обробки результатів експериментальних досліджень використані методи математичної статистики.

Обробку отриманих даних здійснювали з використанням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів:

У результаті досліджень шляхів вирішення проблеми щодо створення санітарно-гігієнічних умов праці в кабіні трактора шляхом розробки і впровадження в систему вентиляції кабіни нової конструкції ротаційного пиловіддільника вперше:

- встановлені залежності, що дозволяють обґрунтувати конструктивні параметри протипотокового ротаційного пиловловлювача повітря, які призводять до підвищення ефективності очищення повітря в кабіні трактора [8, 10];

- встановлені закономірності кінематичного руху частинок пилу під дією силового поля в просторі, обмеженому зовнішніми кільцевими пластинами пиловіддільника, на основі яких обґрунтовано режими роботи конструкції, при рівномірному розподілі повітря по всій довжині ротора [5, 8, 9, 10];

- визначені закономірності впливу умов експлуатації трактора на ефективність роботи запропонованого протипотокового ротаційного пиловіддільника, під час виконання польових робіт [7].

Практичне значення одержаних результатів.

На основі отриманих теоретичних та експериментальних результатів досліджень розроблено нову конструкцію протипотокового відцентрового ротаційного пиловіддільника повітря, яка дозволила збільшити ефективність вловлювання пилу.

Проведений на основі експериментальних досліджень та математичного моделювання процесу пиловловлення аналіз дозволив шляхом розрахунків визначити обґрунтовано геометричні параметри пиловловлювача, що і було враховано при розробці нової конструкції протипотокового відцентрового роторного пиловловлювача, конструкція якого захищена патентом України на корисну модель № 40794А.

Проведено експериментальні дослідження запропонованої конструкції пиловіддільника й еталона в стандартних аналогічних умовах на експериментальному стандартному пилу - кварцовому піску, а також у реальних умовах експлуатації трактора, які довели збільшення ефективності вловлювання пилу на 5 - 9%.

Результати дисертаційної роботи було впроваджено на дослідних зразках тракторів у СВК ім. Ватутіна Василівського району Запорізької області, ТОВ «Олександрівка» Приазовського району Запорізької області, ТОВ «Маяк» Мелітопольського району Запорізької області.

Особистий внесок здобувача. Cформульовано робочу гіпотезу [7,15]; отримано математичні залежності [8], на основі аналізу яких обґрунтовано конкретну конструкцію нового протипотокового пиловіддільника [10] та режими його роботи [6,12,14]; розроблено математичну модель процесу руху частинок пилу в апараті [5]; розроблено методику лабораторно-польових досліджень пиловіддільника в кабіні трактора [7], що працює в складі ґрунтообробного та транспортно-технологічного агрегатів [1,2,3,13]; проведено експериментальні дослідження нового зразка ротаційного протипотокового пиловіддільника в системі вентиляції кабіни трактора Т-151К [4,9,11].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи викладено в доповідях на науково-технічних конференціях викладачів та аспірантів Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь, 1997-2007 р.), Таврійського державного агротехнологічного університету (м. Мелітополь, 2008-2010 р.), на 8-ій Міжнародній науково-методичній конференції (м. Алушта, 2001 р.), 9-ій Міжнародній науково-методичній конференції (м. Алушта, 2002 р.), в Національному аграрному університеті (м. Суми, 2002 р.), 10-ій Міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП (м. Львів, 2009 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 друкованих праць, 1 патент України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертація викладена на 152 с. машинописного тексту (у т.ч. 123 с. основного тексту) і містить 61 рисунок та 14 таблиць. Список використаних джерел включає 113 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, наведено зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукові положення, наукову новизну та практичну значимість одержаних результатів, наведено особистий внесок здобувача та апробацію результатів роботи.

У першому розділі «Стан проблеми та постановка завдань досліджень» на основі аналізу літературних джерел і патентно-ліцензійного пошуку з питань запиленості повітря в кабіні трактора та його знепилювання в системах вентиляції цих кабін визначено, що в робочій зоні оператора машини концентрація пилу в декілька разів перевищує допустимі норми та залежить від метеорологічних, кліматичних, сезонних умов навколишнього середовища, напрямку вітру, виду робіт, швидкості руху трактора, герметичності кабіни тощо. Для створення нормального мікроклімату в кабіні трактора необхідно в систему вентиляції включати надійний пиловловлювач з певними конструкційними, енергетичними та кінематичними характеристиками при умові його компактності і високої продуктивності.

Використання ротаційних пиловловлювачів є одним із найефективніших засобів боротьби з підвищеною запиленістю в кабіні трактора через те, що на їх роботу не впливає зміна концентрації пилу, вологості, температури і рухливості зовнішнього повітря. Крім того, ротаційні пиловловлювачі мають меншу масу, розміри і витрати енергії, а також характеризуються меншими витратами на технічне обслуговування. Проте вони мають ряд недоліків, серед яких: складність конструкції, утворення завихрень у ділянці торцевого захисного кожуха, а також нерівномірний спектр швидкостей всмоктування по довжині ротора.

Проблемі очищення повітря від пилу за допомогою пиловловлювачів присвячені роботи багатьох дослідників: Хохрякова В.П., Михайлова М.В., Пирумова А.І., Штокман Е.А., Ужова В.Н., Батлук В.А., Азарова В.Н., Лях Г.Д. та інших.

Наведені в дисертації дані доводять, що на сьогоднішній день не існує пиловловлювача, здатного високоефективно вловлювати дрібнодисперсний пил, тому для більш ефективного знепилювання повітря в системі вентиляції кабін тракторів технологічно та економічно вигідно використовувати ротаційні пиловловлювачі або їх конструктивні комбінації.

Другий розділ «Теоретичні дослідження з обґрунтування конструктивних параметрів ротаційного протипотокового очищувача повітря» присвячено теоретичним дослідженням ротаційного протипотокового пиловловлювача. У ньому для забезпечення рівномірної швидкості всмоктування повітря в робочу поверхню, якою є ротор пиловловлювача, пропонується застосовувати циліндричні кільця різного діаметра (рис. 1).

По всій бічній циліндричній поверхні очищувача розміщено n поздовжніх щілин, довжина кожної з яких дорівнює довжині ротора L. Поверхню над останньою щілиною можна умовно розділити на n об'ємних сегментів АВСDEFGH з кутом розхилу і коловими основами. Радіус нижнього з них беремо таким, що дорівнює радіусу ротора Rp, а радіус верхнього - дорівнює зовнішньому радіусу кільця Rк. Ширина (товщина) кожного сегмента дорівнює відстані між суміжними кільцями очищувача. Через фізичну відсутність площин DHGC і AEFB, кожний з утворених сегментів є умовним, має середній (прохідний) переріз, який утворений радіусом Ry, від величини якого і залежить ширина прохідної щілини (хорда MN, рис. 1) в кожному перерізі Х по довжині ротора протипотокового пиловловлювача, який розглядається.

Швидкість усмоктування повітря в пиловіддільник (VВС), і в загальному випадку вона може бути визначена з наступного виразу:

, (1)

де - коефіцієнт витрати повітря;

- щільність повітря, кг/м3;

РО, РХ - статичний тиск повітря усередині й поза пиловіддільником відповідно, Па.

Стосовно об'єму, обмеженого перерізами Х и Х = 01, а також стінками пиловіддільника, скористаємося відомим рівнянням кількості руху в проекції на його поздовжню вісь:

(2)

де S - площа поперечного перерізу пиловіддільника, м2;

фх - напруга тертя повітря зі стінками повітроводу;

РВ - периметр повітроводу, м;

Враховуючи, що:



; ; .

одержимо: (3)

Рис.1. Схема відцентрового протипотокового очищувача повітря зі встановленими на ньому кільцями.

У результаті визначення характеру зміни радіуса Ry було встановлено закон зміни радіуса кожного кільця Rкк, що забезпечує надходження повітря в порожнину пиловловлювача з постійною швидкістю Vвс

. (4)

де LК - витрата повітря пиловіддільником (тобто його продуктивність), м3/с;

kо - коефіцієнт, що враховує зменшення площі усмоктування повітря конкретним пиловіддільником;

d - діаметр частинки пилу, м;

- кінематичний коефіцієнт в'язкості середовища, м2/с;

- коефіцієнт витрати повітря;

RP - радіус ротора, м;

L - довжина ротора, м;

Х - переріз.

Встановлено, що характер зміни радіусів циліндричних кілець по довжині ротора протипотокового відцентрового пиловіддільника підпорядковується лінійному закону. Ступінь нахилу цієї лінії прямо пропорційний геометричним розмірам ротора, і обернено пропорційний продуктивності пиловіддільника.

Аналіз залежності (1) показав, що збільшення радіуса ротора протипотокового пиловловлювача призводить до більш інтенсивного зростання радіусів додаткових кілець (рис. 2).

Для того, щоб характер зміни параметра Rкк при цьому залишався постійним (тобто не збільшувався), необхідно збільшити продуктивність пиловловлювача. Із зростанням значення цієї величини інтенсивність зростання значень радіусів кілець по довжині ротора зменшується (рис.3).

Рис.2. Характер зміни радіусів додаткових кілець пиловловлювача Rкк по довжині ротора L при різному його радіусі Rp: 1 - Rp = 0,05 м; 2 - Rp = 0,07 м; 3 - Rp = 0,1 м.



Рис.3. Характер зміни радіусів додаткових кілець RКК по довжині ротора L при різній продуктивності пиловловлювача LК: 1 - LК = 0,08 м3/с; 2 - LК = 0,10 м3/с ; 3 - LК = 0,12 м3/с.

При збільшенні довжини ротора L, як показує аналіз, радіус додаткових кілець зростає (рис. 4). Так, при збільшенні L в 1,5 разу максимальне значення радіуса кілець збільшується в 2,2 рази.

Оскільки з віддаленням від заглушеного торця пиловловлювача втрати швидкості повітря, яке всмоктується, зростають, то для затримання їх на одному рівні, радіус додатково встановлених кілець повинен збільшуватися відповідно до закону, який задається рівнянням (1).

Приймаючи, що витрати повітря описуються рівнянням (5), а саме:

(5)

де Lк - витрата всмоктуваного повітря між двома суміжними кільцями, м3/с;

VВС - швидкість усмоктування повітря до пиловіддільника, м/с;

bi - відстань між кільцями пиловловлювача, м;

kо - коефіцієнт, що враховує зменшення площі усмоктування повітря конкретним пиловіддільником;

Rуі - зміна радіуса умовного прохідного перерізу сегмента.

Рис.4. Характер зміни радіусів додаткових кілець Rкк по довжині ротора L при різному її значенні: 1 - 0,08 м; 2 - 0.1 м; 3 - 0,12 м.

Відстань між додатково встановленими кільцями протипотокового ротаційного пиловловлювача b (рис. 5) можна визначити з виразу:

, (6)

де Lк - витрата повітря пиловіддільником (тобто його продуктивність), м3/с;

d - діаметр частинки пилу, м;

- кінематичний коефіцієнт в'язкості середовища, м2/с;

- коефіцієнт витрати повітря.

Відстань між встановленими на відцентровому протипотоковому пиловіддільнику кільцевими пластинами, будучи прямо пропорційною зміні його продуктивності й обернено пропорційною довжині ротора, повинна перебувати в межах 7 - 12 мм.

Отримані залежності (4) і (6) дозволяють встановити закон зміни конструктивних параметрів протипотокового ротаційного пиловловлювача за критерієм рівномірності всмоктування ним повітря по довжині його ротора.

На частинку пилу масою m і густиною ч, яка рухається між площинами двох кілець 1 пиловловлювача 2 (рис. 6) діють: сила Fрух, що виносить частинку пилу за межі кілець зі швидкістю Vрух; відцентрова сила Fвід, яка створюється ротором пиловловлювача, що обертається; сила ваги частинки пилу Gч = mg; сила інерції частинки пилу FІн; сила всмоктування повітря до пиловловлювача Fвс зі швидкістю Vвс.

Умови рівноваги сил, які діють на частинку пилу, що находяться між пластинами пиловловлювача, мають наступний вигляд:

. (7)

Після відповідних перетворень, одержимо диференційне рівняння, що описує характер руху частинки пилу між кільцями пиловіддільника, яке має вигляд:

. (8)

У цьому рівнянні: ; ,

де - густина повітря кг/м3;

- кутова частота обертання ротора пиловловлювача 1/год;

t - час, год.

Рис. 5. Схема установки кілець (1) на корпусі пиловловлювача (2).

Рис.6. Схема сил, які діють на частинку пилу, що рухається між пластинами пиловловлювача: 1 - кільця; 2 - ротор пиловловлювача.

Найбільший шлях виносу буде у частинок пилу, які знаходяться між найбільшими встановленими кільцевими пластинами пиловловлювача.

Розв'язання диференціального рівняння (8), дає залежність, яка представляє закон переміщення частинок пилу між кільцями пиловловлювача у процесі роботи:

, (9)

де Vрух - швидкість виносу частинки пилу за межі кілець пиловіддільника, м/с;

сч - щільність частинки домішки, кг/м3;

D - визначник.

(10)

Для вивчення впливу конструктивних і кінематичних параметрів останнього на зміну швидкості виносу частинки пилу за межі додатково встановлених кілець, значення величин, що входять у рівняння (9) і (10), приймали наступними:

= 1,2 кг/м3; ч = 2500 кг/м3; = 1,510-5 м2/с;

ko = 0,98; = 0,25; d = (3 - 5)10-6 м; Lк = 0,08 - 0,12 м3/с;

L = 0,08 - 0,12 м; Rp = 0,05 - 0,10 м; = 50 - 90 с-1

Теоретичними дослідженнями встановлено, що зміни продуктивності пиловловлювача (Lк), довжини (L) і радіуса (Rp) його ротора на швидкість винесення частинки пилу з простору між двома найбільшими додатково встановленими пластинами майже не впливають.

Дуже малою залишається ця зміна і при варіюванні діаметра (d) частинок пилу. В усіх варіантах значення величини Vрух є практично постійним і дорівнює 0,5 м/с.

Відчутний вплив на цей кінематичний параметр має частота обертання ротора відцентрового протипотокового пиловловлювача. Зростання частоти обертання ротора викликає збільшення відцентрової сили, що призводить до переміщення твердих частинок пилу за межі додатково встановлених кілець протипотокового повітряного очищувача.

Третій розділ «Програма і методика експериментальних досліджень» присвячено програмі та методиці експериментальних і лабораторно-польових досліджень.

Метою експериментальних досліджень протипотокового ротаційного пиловловлювача є визначення продуктивності установки, дисперсного складу пилу, ефективності та гідравлічного опору апарату, впливу елементів конструкції пиловловлювача на режими його роботи, визначення ефективності роботи ротаційного пиловловлювача в лабораторних умовах, виявлення ступеня впливу швидкості руху трактора на запиленість в кабіні, визначення залежності запиленості повітря в робочій зоні тракториста від напряму і швидкості вітру.

Як фізичний об'єкт досліджень було прийнято дослідний зразок протипотокового ротаційного пиловловлювача повітря (рис. 7), що має наступні технічні характеристики:

- частота обертання ротора і робочого колеса, хв-1 4500

- продуктивність очищеного повітря, м3/год 200

- діаметр ротора, м 0,13

- довжина ротора, м 0,1

- номінальна потужність на валу електродвигуна, Вт 45

За рахунок виконання в запропонованому пиловловлювачі кільцевої решітки (8) навколо ротора (5) з профільної зовнішньої поверхні у вигляді конуса, твірна якого складена з нерухомих кілець (11), діаметр яких збільшується від захисного кожуха (2) до робочого колеса (7), забезпечується постійний спектр швидкостей всмоктування по довжині ротора, що виключає утворення вихорів та негативних градієнтів тиску біля захисного кожуха, тим самим забезпечуючи ефективність пиловловлювання.

Ефективність пиловловлювання визначається співвідношенням швидкості потоку повітря, що всмоктується через ротор робочим колесом, та швидкості частинок пилу, які відкидаються від ротора під дією відцентрових сил, а також співвідношенням градієнтів тисків розрідження, створюваного робочим колесом та протитиском ротора.

Вирівнювання спектру швидкостей всмоктування відбувається за рахунок створювання відповідного протитиску по довжині ротора, яким і служить зовнішній діаметр кілець, що збільшується від захисного кожуха до робочого колеса і вирівнює кільцеву решітку навколо ротора. Твірна корпуса кільцевої решітки побудована на основі складання тисків розрядження, створеного робочим колесом та протитиском ротора, яка дозволяє повністю стабілізувати рівномірність швидкостей всмоктування повітря по всій довжині ротора.



Рис. 7. Конструкція протипотокового пиловіддільника: 1 - корпус; 2 - захисний кожух; 3 - основа; 4 - електродвигун; 5 - ротор; 6 - лопатки; 7 - робоче колесо; 8 - кільцева решітка; 9 - штифти; 10 - твірна; 11 - кільця решітки; 12 - отвори; 13 - рухоме кільце.

Експериментальні дослідження проводили з використанням методик планування експерименту, що здійснювалося шляхом застосування принципів і положень теорії планування багатофакторного експерименту.

Вихідними даними є:

- зовнішній радіус кілець пиловіддільника (Rк = 240 мм),

- відстань між кільцевими пластинами пиловіддільника (b = 10 мм),

- швидкість руху частинок пилу між кільцями пиловіддільника (Vрух = 0,5 м/с).

Рівні варіювання факторів при проведенні багатофакторного експерименту приймали наступні: зовнішній радіус кілець пиловіддільника (Х1) - 180 - 280 мм; відстань між кільцевими пластинами пиловіддільника (Х2) - 7 - 12 мм; швидкість руху частинок пилу між кільцями пиловіддільника (Х3) - 0,2…0,6 м/с.

Результуючою ознакою при цьому обрано ефективність очищення повітря від частинок пилу. Результати експериментів оброблялися за допомогою методів математичної статистики з використанням критеріїв Ст'юдента, Фішера, Кохрена.

Методика визначення впливу швидкості руху трактора на запиленість повітря в кабіні включала проведення польових досліджень на двох операціях: 1) передпосівній обробці ґрунту; 2) внесенні мінеральних добрив.

При виконанні першої з них використовували агрегат у складі трактора Т-151К, культиватора-плоскоріза КПЕ-3,8 зі збільшеною шириною захвату до 5,1 м і двох катків ККШ-6. Внесення добрив здійснювали агрегатом на базі цього ж трактора, який агрегатували з розкидачем РУМ-8.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень протипотокового ротаційного пиловловлювача» наведено результати експериментальних досліджень запропонованої конструкції протипотокового ротаційного пиловловлювача а також результати лабораторно-польових досліджень.

Дослідження проводилися на стандартному експериментальному стенді, який повністю відповідав вимогам єдиної методики досліджень пиловловлювачів у порівнянні із протипотоковим ротаційним пиловловлювачем зі зворотною продувкою ротора, який прийнято як еталон.

Відповідно до цієї методики порівняльних випробувань пиловловлювачів дослідження ефективності проводили на стандартному пилу - кварцовому піску.

Аналіз результатів досліджень ефективності пиловловлювання показав, що використання кільцевої решітки навколо ротора з профільною зовнішньою поверхнею у вигляді конуса, діаметр якого збільшується від захисного кожуха до робочого колеса, сприяє значному покращенню ефективності пиловловлювання в запропонованому апараті:

- зі збільшенням медіанного діаметра часток пилу від 8·10-6 м до 50·10-6 м ефективність пиловловлювання запропонованого апарата збільшується, причому при діаметрі пилу 8·10-6 м ефективність пиловловлювання в середньому більша на 8% порівняно з еталоном (рис.8);

- зі збільшенням витрат повітря в стенді з 1000 м3/год до 3000 м3/год ефективність пиловловлювання також збільшується в середньому на 10% (рис.9);

- зі збільшенням продуктивності апаратів зростає й гідравлічний опір, що у свою чергу призводить до збільшення витрат на електроенергію.

Було також визначено, що гідравлічний опір апарата не залежить від розміру частинок пилу.

Рис.8. Залежність ефективності вловлювання від розміру пилу (при витратах повітря 1000 м3/год)

Рис. 9. Залежність ефективності вловлювання пилу від витрат повітря в стенді (для розміру пилу 810-6м).

Результати випробувань та аналіз залежностей гідравлічного опору від витрат повітря в стенді підтвердили покращення експлуатаційних характеристик розробленого апарату в порівнянні з відомим ротаційним пиловловлювачем, а саме - значне підвищення ефективності пиловловлювання досягається при витратах повітря 2000 м3/год. (рис.10) при цьому гідравлічний опір знизився у порівнянні з прототипом (еталоном) в 1,5-2,6 рази.

Усі ці закономірності можна пояснити в такий спосіб: збільшення медіанного діаметра пилу призводить до збільшення відцентрової та інерційної сили, а також сили ваги, які визначають процес виділення частинок пилу з пилового потоку в усіх без винятку апаратах, які досліджувалися.

Рис.10. Залежність гідравлічного опору від витрат повітря в стенді (для розміру пилу 8·10-6 м).

У результаті проведення багатофакторного експерименту й аналізу його результатів, отримано раціональні значення технологічних і конструктивних параметрів ротаційного протипотокового пиловіддільника.

Ефективність очищення повітря від часток пилу адекватно описується рівнянням регресії на рівні довірчої вірогідності 0,95:

(11)

При розкодуванні математичної моделі функція прийме наступний вид:

(12)

Перевірка адекватності математичної моделі проводилася з використанням елементів дисперсійного аналізу за допомогою критерію Фішера. Аналіз поверхні відгуку проведено методом двомірних перерізів (рис.11,12,13).

Рис.11. Вплив зовнішнього радіуса кілець і відстані між кільцевими пластинами пиловіддільника на ефективність пилоочищення.

Рис.12. Вплив зовнішнього радіуса кілець і швидкості руху частинок пилу між кільцями пиловіддільника на ефективність пилоочищення.

Рис.13. Вплив відстані між кільцевими пластинами та швидкості руху частинок пилу між кільцями пиловіддільника на ефективність пилоочищення.

При проведенні багатофакторного експерименту було встановлено, що для одержання оптимальної ефективності пиловловлення, зовнішній радіус кілець пиловіддільника повинен становити 184,5 мм, відстань між кільцевими пластинами пиловіддільника - 7,97 мм, швидкість руху частинок пилу між кільцями пиловіддільника при цьому дорівнює 0,5 м/с.

Аналіз отриманих результатів лабораторно-польових досліджень еталонного та запропонованого ротаційних пиловловлювачів показав, що зі збільшенням концентрації пилу, який надходить у пиловіддільник, ефективність роботи нової конструкції, при концентрації пилу 42010-6 кг/м3, менша у 2,6 рази порівняно з прототипом (рис. 14).

Експериментально встановлено, що при напрямку вітру перпендикулярному до напряму руху ґрунтообробного та транспортно-технологічного агрегатів, запиленість повітря в кабінах тракторів, обладнаних як еталонним, так і запропонованим пиловловлювачем практично не залежить від значення робочої швидкості руху тракторів, які порівнюються. Але в усьому діапазоні її зміни запиленість повітря в кабіні трактора, обладнаного запропонованим ротаційним протипотоковим пиловловлювачем, виявилася нижчою: на 1,710-6 - 1,810-6 кг/м3 - у ґрунтообробного (рис. 15), і на 1,510-6 кг/м3 - у транспортно-технологічного МТА, тобто в середньому на 36%, причому в кабіні трактора цей показник був нижчим за допустимі санітарно-гігієнічні вимоги до повітря робочої зони тракториста (410-6 кг/м3).

Лабораторно-польові дослідження ґрунтообробних і транспортно-технологічних МТА проводили в розрізі розробленої нами робочої гіпотези. Суть її полягає в припущенні, що при попутному випереджаючому вітрі запиленість повітря в кабіні трактора вища, ніж при відстаючому, і її значення тим більше, чим менша різниця швидкостей руху вітру та машинно-тракторного агрегату.

З урахуванням напрямку вітру та його швидкості, було проаналізовано варіанти режимів роботи ґрунтообробних агрегатів.

Рис.14. Порівняльна ефективність роботи базового і запропонованого ротаційного пиловловлювача.

Рис.15. Залежність запиленості повітря в кабіні еталонного та дослідного тракторів від швидкості руху ґрунтообробних МТА.

При попутному відстаючому вітрі запиленість повітря в кабіні трактора із запропонованим пиловловлювачем в середньому менша приблизно на 1,510-6 кг/м3 (рис. 16).

При попутному випереджаючому вітрі, запиленість повітря в кабіні трактора була вищою, ніж при попутному відстаючому вітрі. Якщо при V = 0,8 м/с через три години роботи запропонованого пиловловлювача запиленість повітря складала приблизно 5,610-6 кг/м3 (рис. 16), то при попутному випереджаючому вітрі (V = 4,1 м/с) через такий же час її значення складало вже 9,010-6 кг/м3 (рис. 17) що у 1,6 рази більше.

Як доводять результати експериментальних досліджень, ефективність роботи запропонованого пиловловлювача і в цьому випадку залишається більш високою у порівнянні із еталонним пиловловлювачем.

Рис. 16. Зміна запиленості повітря в кабінах тракторів, обладнаних запропонованим (1) і еталонним (2) пиловловлювачами, при попутному відстаючому вітрі.

Рис. 17. Зміна запиленості повітря в кабінах тракторів, обладнаних запропонованим (1) і еталонним (2) пиловловлювачами, при попутному випереджаючому вітрі.

Зі збільшенням робочої швидкості тракторів, при попутному виперед-жаючому вітрі, як виходить з результатів експериментальних досліджень, після 3 годин роботи пиловловлювача, різниця оціночного показника становить 0,9·10-6…1,4·10-6 кг/м3 на користь запропонованого пиловловлювача (рис.18).

Рис.18. Зміна запиленості повітря в кабінах тракторів, обладнаних новим пиловіддільником, при попутному випереджаючому вітрі та різних швидкостях руху ґрунтообробного МТА.

Встановлено, що чим більша різниця швидкостей вітру і ґрунтообробного МТА, тим менша запиленість повітря в кабіні трактора. Такий результат однозначно підтверджує справедливість початкової робочої гіпотези.

При виконанні робіт по внесенню мінеральних добрив розглядали різні варіанти схем руху МТА.

При випереджаючому вітрі, через годину роботи, запиленість в кабіні ґрунтообробного агрегату, обладнаного запропонованим пиловловлювачем, була на рівні 910-6 кг/м3 (рис. 17), а при роботі транспортно-технологічного МТА - 7,510-6 кг/м3 (рис.19), що на 16,6% менше. Запиленість повітря в кабіні транспортно-технологічного агрегату на рівні 910-6 кг/м3 була тільки після п'яти годин роботи, але за такий же час у кабіні трактора ґрунтообробного МТА вона складала вже 1710-6 кг/м3, тобто приблизно в 1,9 рази більше (рис.17). Отриманий результат пояснюється тим, що при русі транспортно-технологічного МТА пил утворювали тільки ходові системи агрегату та розкидача мінеральних добрив. У ґрунтообробного ж агрегату переважний вплив на пилоутворення мали робочі органи культиваторів і борін.

Збільшення швидкості руху агрегату при внесенні мінеральних добрив, при одному і тому ж значенні швидкості попутного випереджаючого вітру призводить до зниження запиленості повітря в кабіні трактора, обладнаного новим пиловловлювачем. Причому протягом чотирьох годин роботи запропонований пиловловлювач зберігав запиленість повітря на гранично допустимому рівні (410-6 кг/м3) (рис.20).

Проведене ранжування роботи МТА, по мірі зростання запиленості повітря в кабіні трактора під час виконання ґрунтообробної і транспортно-технологічної операцій показало, що при зустрічному вітрі запиленість повітря в кабіні тим менша, чим більша різниця швидкостей переміщення вітру та машинно-тракторного агрегату, і незалежно від різниці швидкостей переміщення вітру і МТА, запиленість повітря в кабіні трактора при зустрічному вітрі завжди нижча, ніж при попутному, що також підтверджує справедливість висунутої нами робочої гіпотези.

Рис. 19. Зміна запиленості повітря в кабінах тракторів транспортно-технологічних МТА, обладнаних новим (1) та еталонним (2) пиловіддільниками, при попутному випереджальному вітрі.



Рис.20. Зміна запиленості повітря в кабінах тракторів транспортно-технологічних МТА, обладнаних новим (1) та еталонним (2) пиловіддільниками, при зустрічному вітрі.

Застосування запропонованого протипотокового пиловловлювача дозволяє покращити санітарно-гігієнічні умови праці тракториста за рахунок зниження «шкідливого» часу перебування на робочому місці і підвищення його працездатності. При цьому річний економічний ефект від впровадження зразка нової конструкції складе 603,21 грн. на один агрегат на рік.



ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що заключається в підвищенні комфортних умов праці тракториста за рахунок кращого очищення повітря в кабінах тракторів, шляхом створення високоефективного протипотокового ротаційного пиловіддільника, що дозволило зробити такі висновки:

1. Аналіз існуючих систем вентиляції кабін тракторів виявив, що серед пристроїв, які використовуються в системах знепилення повітря, технологічно й економічно доцільно використовувати протипотокові відцентрові пиловловлювачі та їх конструктивні комбінації, але через те, що вони не завжди відповідають вимогам стандартів щодо знепилювання повітря, необхідне проведення подальших досліджень з метою підвищення якості очищення повітря у кабіні трактора шляхом вдосконалення протипотокового відцентрового пиловловлювача повітря.

2. Аналітично встановлено, що характер зміни радіусів циліндричних кілець по довжині ротора протипотокового відцентрового пиловловлювача підпорядковується лінійному закону. Ступінь нахилу цієї лінії прямо пропорційний геометричним розмірам ротора та обернено пропорційний продуктивності пиловловлювача.

3. Вирішення аналітичних залежностей дозволяє встановити, що відстань між кільцевими пластинами відцентрового протипотокового пиловловлювача, прямо пропорційна зміні його продуктивності та обернено пропорційна довжині ротора. При цьому, раціональні їх значення знаходяться в межах 7·10-3 - 12·10-3 м.

4. Встановлено, що зміна швидкості винесення частинок пилу за межі кілець пиловловлювача описується рівнянням четвертого ступеня. Доведено, що суттєвий вплив на закономірності кінематичного руху частинок пилу під дією силового поля має частота обертання ротора відцентрового протипотокового пиловловлювача (). При збільшенні з 50 до 90 с-1 (тобто в 1,8 рази) швидкість винесення частинок пилу зростає з 0,2 до 0,7 м/с (тобто в 3,5 рази).

5. Встановлено, що зі збільшенням концентрації пилу, ефективність роботи еталонного та запропонованого пиловловлювача знижується. Проте інтенсивність падіння цього показника у запропонованої конструкції менша. Так, якщо при вх = 210-5 кг/м3 різниця значень запиленості повітря () складає 110-6 кг/м3 на користь запропонованого пиловловлювача, то при концентрації пилу 4210-5 кг/м3, вказана різниця дорівнює вже 2,610-6 кг/м3 (тобто в 2,6 рази більше).

6. Результатами лабораторних досліджень доведено, що ефективність запропонованого пиловловлювача при діаметрі пилу 8•10-6 м на 5…9% більша в порівнянні з еталонним апаратом при меншому в 1,5 - 2,6 рази гідравлічному опорі.

7. В результаті проведення багатофакторного експерименту обґрунтовані раціональні значення конструктивних параметрів ротаційного пиловловлювача: зовнішній радіус кілець - 184,5 мм, відстань між кільцевими пластинами пиловіддільника - 7,97 мм, швидкість руху частинок пилу між кільцями пиловіддільника при цьому дорівнює 0,5 м/с.

8. Визначені закономірності впливу умов експлуатації трактора на ефективність роботи запропонованого ротаційного пиловіддільника:

- при попутному відстаючому вітрі концентрація пилу в кабіні трактора, обладнаного запропонованим пиловловлювачем, зростає менш інтенсивно, ніж у трактора, обладнаного еталонним пиловловлювачем і менша, в середньому на 1,510-6 кг/м3;

- при зустрічному вітрі запиленість повітря в кабіні трактора тим менша, чим більша різниця швидкостей переміщення вітру та машинно-тракторного агрегату. Незалежно від різниці швидкостей переміщення вітру і МТА, запиленість повітря в кабіні при зустрічному вітрі завжди нижча, ніж при попутному.

9. Застосування запропонованого протипотокового пиловловлювача дозволяє покращити санітарно-гігієнічні умови праці тракториста, за рахунок зниження «шкідливого» часу перебування на робочому місці та підвищення працездатності. При цьому річний економічний ефект від впровадження зразка запропонованої конструкції складе 603,21 грн. на один агрегат на рік.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рогач Ю.П. Виявлення закономірностей реалізації потенційної небезпеки об'єктів сільськогосподарського виробництва. / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко, В.Л. Лущенков // Праці ТГАТА. - Мелітополь 1998. - Вип. 1, т.4. - С. 23-26.

2. Мохнатко І. М. Дослідження запиленості повітря у кабіні трактора Т-150 К. / І.М. Мохнатко, Ю.П. Рогач, В.Л. Лущенков // Праці ТДАТА. - Мелітополь, 1998. - Вип.1, т.4. - С.68-70.

3. Мохнатко І.М. Формування фону запиленості у кабіні трактора ХТЗ 170021 / І.М. Мохнатко, Ю.П. Рогач // Техника в сельскохозяйственном производстве. - Мелитополь, 1999. - Вып.1, т.9. - С. 9 - 12.

4. Мохнатко І.М. Визначення коефіцієнту теплопередачі при розрахунках концентрації запиленості у кабінах вітчизняних тракторів / І.М.Мохнатко, Ю.П. Рогач // Праці ТГАТА.- Мелітополь, 1999. - Вип.2, т. 8. - С. 27-31.

5. Рогач Ю. П. Дослідження аеродинамічного процесу у сепараційному роторі протипоточного пиловідільника / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко // Праці ТДАТА. - Мелітополь, 2000. - Вип.1, т.15. - С. 3-7.

6. Рогач Ю.П. Шляхи вдосконалення конструкцій пристроїв для знепилення повітря в кабінах сільськогосподарських машин / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко // Праці ТДАТА. - Мелітополь, 2001. - Вип.1, т.24. - С. 15-20.

7. Рогач Ю.П. Дослідження залежності запиленості повітря в робочий зоні оператора ґрунтообробних агрегатів від напрямку і швидкості повітря в процесі обробки ґрунту. / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко // Праці ТГАТА.- Мелітополь, 2007. - Вип.7, том 1.- С.13-17.

8. Рогач Ю.П. Визначення закону змінення зовнішнього радіуса кілець відцентрового очисника повітря / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко // Праці ТДАТУ.- Мелітополь, 2008. - Вип.8,т.6.- С.144-149.

9. Мохнатко І.М. Експериментальні дослідження протипотокового ротаційного пиловіддільника повітря / І.М. Мохнатко // Праці ТДАТУ. - Мелітополь, 2009. - Вип.9, т.3. - С.160-164.

10. Пат.№40794 Україна, МПК D01D54/14. Протипотоковий ротаційний пиловіддільник / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко (Україна). - №2000031542; заявл. 20.03.2000; опубл. 15.08.2001, Бюл №7.

11. Контроль мобільної сільськогосподарської техніки по показникам безпеки. /М.Л.Крижачківський, Ю.П.Рогач, І.М. Мохнатко, В.Л.Лущенков // Вісник Сумського національного університету. - Суми, 2001.- Вип.7. - С.124-127.

12. Мохнатко І.М. Використання ротаційних пиловідокремлювачів для зниження концентрації пилу у кабінах тракторів / І.М. Мохнатко, Ю.П. Рогач // Вісник Сумського національного аграрного університету. - Суми,2002.- Вип. 9.-С.126-129.

13. Мохнатко І.М. Підвищення ефективності вентиляційних пристроїв в кабінах тракторів за рахунок їх модернізації / І.М. Мохнатко, Ю.П. Рогач // Вісник Сумського національного аграрного університету. - Суми, 2002. - Вип.8. - С.120-126.

14. Рогач Ю.П. Прогресивні засоби і заходи механізації обезпилювання вентиляційного повітря кабін тракторів / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко // Сучасні технології. Економіка та екологія в промисловості на транспорті і у сільському господарстві. - Алушта, 2001. - Т.1. - С. 22-25.

15. Рогач Ю.П. Обґрунтування напрямків вдосконалення систем знепилення повітря в кабінах сільськогосподарських машин / Ю.П. Рогач, І.М. Мохнатко // Технології 21 віку: збірник статей по матеріалам 9-ой міжнародної конференції. - Алушта, 2002. - С.63-70.



АНОТАЦІЯ

Мохнатко І.М. Обґрунтовування конструктивних параметрів і режимів роботи протипотокового пиловіддільника повітря в кабінах тракторів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.02 - автомобілі та трактори. - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2011.

Дисертація присвячена дослідженню процесу очищення повітря в кабіні трактора, впливу різних чинників: концентрації пилу в повітрі, що надходить, на ефективність роботи ротаційного пиловловлювача; швидкості руху ґрунтообробного і транспортно-технологічного агрегатів на запиленість повітря в кабіні трактора; напряму і швидкості руху вітру в процесі обробки ґрунту на запиленість повітря в робочій зоні тракториста. Оцінено вплив кожного чинника на процес очищення повітря в кабіні трактора. Отримано залежність, яка дозволяє встановити закон зміни конструктивних параметрів протипотокового ротаційного пиловловлювача за критерієм рівномірності всмоктування їм повітря по всій довжині ротора. Виведено закономірність руху частинки пилу між зовнішніми кільцями пиловловлювача, на основі аналізу якій обґрунтовано режими його роботи. Запропоновано нову конструкцію протипотокового ротаційного пиловловлювача, яка захищена патентом України. Використання даної конструкції дозволить забезпечити стан повітряного середовища в зоні дихання тракториста в межах допустимих норм.

Ключові слова: протипотоковий ротаційний пиловловлювач, рівномірність швидкості всмоктування по довжині ротора, рух частинок пилу, запилене повітря, ефективність і режими роботи пиловловлювача.



АННОТАЦИЯ

Мохнатко И.Н. Обоснование конструктивных параметров и режимов работы протипотокового пылеотделителя воздуха в кабинах тракторов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 - автомобили и трактора. - Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2011.

Диссертация посвящена исследованию процесса очистки воздуха и созданию комфортных условий труда в кабине трактора, путем повышения качества очищенного воздуха, за счет внедрения в систему вентиляции высокоэффективного противопоточного ротационного пылеотделителя. Исследованы процессы влияния концентрации пыли в поступающем воздухе на эффективность работы противопоточного ротационного пылеотделителя. Объектом исследований принят процесс очистки воздуха ротационным противопоточным центробежным пылеотделителем.

В результате исследования путей решения проблемы относительно создания комфортных условий работы в кабине трактора, в следствии разработки и внедрения в систему вентиляции кабин тракторов новой конструкции ротационного пылеуловителя, впервые получены зависимости изменения конструктивных параметров противопоточного ротационного пылеуловителя от равномерности всасывания воздуха по всей длине ротора.

Установлена закономерность движения частички пыли между внешними кольцами ротационного пылеуловителя, на основе которой обоснован режим работы пылеуловителя при равномерном всасывании им воздуха. Проведенный на основе экспериментальных исследований и математического моделирования процесса пылеулавливания анализ разрешил путем расчетов определить рациональные значения геометрических параметров аппарата.

На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов разработана новая конструкция противопоточного ротационного пылеотделителя воздуха, которая позволит увеличить эффективность улавливания пыли в кабинах тракторов. Предложенная конструкция противопоточного ротационного пылеотделителя, защищена патентом Украины.

Проведенные экспериментальные исследования предложенной конструкции пылеотделителя в сопоставлении ее с известными разработками очистителей воздуха в стандартных аналогичных условиях на экспериментальной стандартной пыли - кварцевом песке, установили увеличение эффективности улавливания пыли и уменьшение гидравлического сопротивления аппарата.

Разработана программа экспериментальных исследований и методика лабораторно-полевых испытаний противопоточного ротационного пылеотделителя в кабине трактора при проведении работ в составе почвообрабатывающего и транспортно- технологического агрегатов.

Оценено влияние скорости движения почвообрабатывающего и транспортно-технологического агрегатов на запыленность воздуха в кабине трактора, направление и скорость движения ветра в процессе обработки почвы, на запыленность воздуха в рабочей зоне тракториста при использовании в системе вентиляции кабин противопоточного ротационного пылеотделителя.

Использование новой конструкции противопоточного ротационного пылеотделителя позволит обеспечить состояние воздушной среды в зоне дыхания тракториста в пределах допустимых норм и уменьшить «вредное» время пребывания на рабочем месте.

Ключевые слова: противопоточный ротационный пылеотделитель, равномерность скорости всасывания по длине ротора, движение частиц пыли, запыленность воздуха, кольцевая решетка, экспериментальные исследования, полевые испытания, эффективность работы пылеотделителя, режим работы пылеотделителя, вентиляция кабин, рабочая зона.

ABSTRACT

Mokhnatko I.N. Substantiation of constructive parameters and modes of antiflow air dust separator in tractor cabins.- The manuscript.

Dissertation for academical degree of candidate of technical sciences by speciality 05.22.02.- Machines and means of mechanization. - Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, 2011.

The dissertation is devoted to research of air purification process cab, influence of different factors, namely, deist concentration in incoming air on work efficiency of rotation dust separator, speed of tillage outfit and dust contend in the air in a tractor cab, tillage on dust content in the air in the working zone of operator. Influence of every factor on the process of air purification in a tractor cab has been evaluated.

Dependencies, allowing to deduce the law of variation of antiflow rotation dust separator constructive parameters on the basis of uniformity of air suction along the rotor length have been obtained. Mechanism of dust particles motion between the outer rings of dust separator has been deduced, analysis of it served as the basis for substantiation of dust separator working mode.

New construction of antiflow rotation dust separator has been proposed and covered by patent of Ukraine. Usage of such construction in the area of machine operator breath within the limits.

Key words: antiflow rotation dust separator, uniformity of air suction along the rotor length, dust particles movement, dust content in the air, efficiency and working modes of dust separator.

Размещено на Allbest.ru