CC BY
37
УДК 631.354 Н.П. Боровинских, П.А.Косов
ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ ДВИЖЕНИЯ СЕГМЕНТА РЕЖУЩЕГО АППАРАТА ПРИЦЕПНЫХ ЖАТОК
В статье предложено построение диаграммы движения режущего аппарата прицепных жаток, так как наблюдается их разворот при движении на некоторый угол от фронтального расположения. В связи с этим абсолютная траектория движения сегмента режущего аппарата будет отличаться от общепринятой, то есть когда режущий аппарат расположен фронтально.
У прицепных жаток процесс резания протекает не так, как его описывают в учебниках по расчетному курсу сельхозмашин, из-за того, что нож режущего аппарата оказывается развернутым под некоторым углом от фронтального расположения. Разворот жатки происходит потому, что трактор присоединяется по асимметричной схеме слева от жатки по ходу движения. Кроме того, жатка и трактор соединены по одноточечной схеме - шарнирное соединение на крюке (рис. 1) [1].
Рис. 1. Схема агрегатирования жатки ЖВП-9.1: 1 - трактор; 2 - жатка ЖВП-9.1
У модернизированной прицепной валковой жатки-накопителя [2] конструкцией предусмотрен разворот режущего аппарата вместе с платформой на угол а=25є от фронтального расположения (рис. 2).
Рис. 2. Схема агрегатирования модернизированной валковой жатки-накопителя:
1 - трактор; 2 - жатка-накопитель
Движение сегмента ножа при развороте режущего аппарата на некоторый угол от фронтального будет отличаться от движения сегмента ножа, когда режущий аппарат расположен перпендикулярно относительно направления движения агрегата (фронтально). Это хорошо видно из рис. 3.
V,
Н
V
М
/\
а
V
Н
V
М
Л
б
Н
Рис. 3. Схема направления векторов скорости при работе жатвенного агрегата: а - при работе режущего аппарата фронтально; б - при развороте режущего аппарата на некоторый угол от фронтального; Ум - вектор скорости машины; Ун - вектор скорости ножа; а - угол между вектором скорости ножа и перпендикуляром относительно направления вектора скорости движения агрегата
Если разложить вектор скорости сегмента ножа режущего аппарата, развернутого на некоторый угол от фронтального положения (рис. 4-5) на Х- и Y- составляющие, где ось Y совпадает с направлением вектора скорости машины, то в одном случае будет наблюдаться, что VнY совпадает с направлением движения машины Vм (рис. 4), а в другом VнY направлен противоположно Vм (рис. 5).
Рис. 4. Схема разложения вектора скорости сегмента ножа на Х- и Y- составляющие при движении сегмента влево
Рис. 5. Схема разложения вектора скорости сегмента ножа на Х- и Y- составляющие при движении сегмента вправо
Проанализировав вышесказанное, можно прийти к выводу, что величина подачи h будет больше расчетной, когда сегмент движется справа налево и меньше расчетной, когда сегмент движется слева направо.
Для построения абсолютной траектории движения любой точки сегмента режущего аппарата, развернутого на некоторый угол а (рис. 6), необходимо, так же, как и для режущего аппарата, расположенного фронтально, знать величину подачи h и ход ножа S.
Как видно из рис. 6, величина подачи hmax для сегмента, движущегося справа налево, и величина подачи hmin для сегмента, движущегося слева направо, будут соответственно больше и меньше, чем расчетная подача h. Из вышесказанного следует, что и траектории движения этих сегментов будут разными. Величины
hmax, hmin будут отличаться от величины h на значение величины а (см. рис. 6), которая представляет нечто
иное, как проекцию величины S хода ножа на ось Y, совпадающую с направлением движения жатвенного агрегата. Тогда величины (hmax, hmin) подачи определятся из выражений (1) и (2):
hmax = h + a; (1)
hmin = h — a. (2)
Величину а определим из выражения (3)
а = S ■ sin а. (3)
С учетом выражения (3) можно представить выражения (1) и (2) в виде выражений (4) и (5):
hmax = h + S ■ sin а; (4)
hmin = h - S ■ sin а. (5)
Спроецировав величину S хода ножа на ось Х, мы получим значение величины S', которая будет участвовать в построении абсолютной траектории движения любой точки сегмента. Величина S', как видно из рис. 6, определится по выражению (б):
S' = S ■ cos а. (6)
Определив все необходимые значения, строим абсолютную траекторию движения любой точки сегмента (рис. 7).
10
а
б
Рис. 7. Траектория движения сегмента ножа: а - для сегмента, идущего справа налево; б - для сегмента, идущего слева направо
И в заключение представим диаграмму движения сегмента ножа, развернутого на некоторый угол а (рис. 8).
Рис. 8. Диаграмма движения сегмента ножа, зависящая от угла разворота режущего аппарата
Литература
1. Гутров, М.А. Силовой анализ установившегося движения прицепной жатки ЖВП-9.1 при агрегатировании с трактором МТЗ-80(82) / М.А. Гутров, М.Н. Федотов, С.В. Стоян // Вестн. ЧГАУ. - 2002. - Т. 37.
2. Модернизация жатки-накопителя с целью повышения качества валков: мат-лы XVIII науч.-техн. конф. /
Н.П. Боровинских, З.И. Воцкий, П.А. Косов, А.Ф. Пермяков; ЧГАУ. - Челябинск: Изд-во ЧГАУ, 2004. - Ч. 2.
-----------♦'------------
УДК 621.318+62.634 В.И. Чарыков, А.В. Маянцев
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ АВТОТРАКТОРНЫХ МАСЕЛ
Сущность проведенных авторами исследований заключается в обосновании возможности применения электромагнитных установок для регенерации автотракторных масел. Основа эффективной работы данных установок - наличие неравномерного магнитного поля в их межполюсном пространстве. Неравномерное магнитное поле предложено создавать специальными устройствами - концентраторами магнитного поля.
Масла, смазочно-охлаждающие жидкости в процессе работы загрязняются продуктами износа, которые обладают ферромагнитными свойствами. Для очистки жидкостей от ферромагнитных частиц применяют магнитные сепараторы. По сравнению с традиционными методами очистки (кислотным, щелочным, адсорб-
ционным, контактным, ионообменным) магнитный метод более прост. Он не требует реагентов, имеет в 2-5 раза большую скорость очистки.
В то же время анализ литературы показывает, что исследования в области регенерации технических жидкостей по-прежнему ведутся в традиционных направлениях.
Существует логическая связь между конструкцией и функциональным назначением структурных элементов сепаратора. Отсюда следует, что расширение функционального назначения структурного элемента будет приводить к изменению его физической модели за счет объединения простейших типовых решений. Использование этой закономерности является основой синтеза модели электромагнитной установки (сепаратора) для регенерации автотракторных масел.
Для обеспечения работоспособности электромагнитной установки, а также получения возможности регулирования ее производительности, в структурную схему добавляется элемент или устройство для создания неоднородного магнитного поля - концентратор магнитного поля. Специфическая функция этого органа - распознавание физических свойств материала и металлических частиц, изменение траектории и прекращение их полета.
Рассмотрим силы, действующие на металлическую частицу в жидком материале (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема силового взаимодействия в электромагнитной установке:
1 - желоб; 2 - концентратор; 3 - металлическая частица
Жидкость течет тонким слоем "Л" вдоль наклонного желоба 1 длиной " 1" и шириной "а". В желобе создается магнитное поле, концентраторами которого являются пружины 2 и стенки желоба 1. Эффективность сепарации зависит от скорости течения жидкости и магнитного поля желоба. Критерий эффективности
выражается в следующем виде:
1Х < г2, (1)
где и - время притяжения частицы, с;
¡2 - время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси "ох" на расстояние "1", с.
Для использования критерия (1) необходимо знать закон движения частицы вдоль осей "ох" и "оу". Рассмотрим движение частицы вдоль оси "ох". Будем считать, что в желобе имеется установившийся режим течения жидкости. При установившемся режиме через любое поперечное сечение желоба с поперечным сечением S = Ла за одну секунду будет протекать одно и то же количество жидкости:
Й = Рж Ж = Рж, (2)
где Рж - плотность жидкости, кг/м3;
V-скорость течения жидкости, м/с.
Для определения режима течения жидкости в желобе используем критерий Рейнольдса:
Яе = , (3)
П
где ахар - характерный для поперечного сечения размер;
П- коэффициент динамической вязкости, Н .
м
Определим скорость течения жидкости " V" из формулы (2):
V = PQ-T ■ (4)
Ржиока
Так как длина желоба равна " 1", то время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси "ox", будет
t 1 _ РЖид ha1 _
‘'2 „ ■ (5)
v Q
Это значение времени пребывания частицы при ее движении вдоль оси "ox" мы и будем использовать.
Рассмотрим движение частицы вдоль оси "oy". При движении частицы вдоль оси "oy" на частицу действуют две силы: магнитная сила, создаваемая магнитным полем в желобе и на концентраторах, и сила сопротивления движению частицы, создаваемая жидкостью. Всем реальным жидкостям присуща вязкость или, другими словами, внутреннее трение. Вязкость проявляется в том, что возникшее в жидкости движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается. Опытами установлено, что
при малых числах Рейнольдса Re, т.е. при небольших скоростях движения, сопротивление среды можно оп-
ределить с помощью формулы Стокса
Fc _ 6п nrrv, (6)
где Гг - характерный для поперечного сечения тела размер. Для тела круглой формы, т.е. для шара, "гг" -радиус шара, м;
v - скорость движения тела в жидкости, м/с.
При движении частицы вдоль оси "oy" на нее, кроме силы сопротивления среды, действуют еще сила тяжести частицы и архимедова сила, равные:
f'_ Vr (Pr ~Ржид )g , (7)
где Vr - объем частицы, м3;
Рг - плотность частицы, кг/м3;
Ржид - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения тела, g = 9,81 м/с2.
Магнитная сила, действующая на частицу, помещенную в магнитное поле, определяется исходя из знания потенциальной энергии [2]:
FM _-grad W, (8)
где W - потенциальная энергия, Дж.
Потенциальная энергия магнитного поля, действующая на частицу объемом "Vr", определяется по следующей формуле (1):
V B2
W _ ——, (9)
2РоР
где Vr - объем частицы, находящейся в магнитном поле, м3; B - магнитная индукция, Тл; ро - магнитная постоянная вакуума, Гн/м; р- относительная магнитная проницаемость жидкости, Гн/м.
С учетом формулы (9), магнитная сила, действующая на частицу в магнитном поле, определяется следующем выражением:
V B 2 V
FM _ - grad W _ - grad —— _------------r— grad B2. (10)
2р0Р 2р0р
Поскольку нас интересует значение магнитной силы, действующей в направлении оси "OY1, то имеем следующее выражение:
Vr dB2 VB dB
FM _-------r-------_------r-------. (11)
2р0р dy р0р dy
Для определения магнитной силы, как видно из формулы (11), нам надо знать значение магнитной индукции B в магнитном поле желоба. Значение магнитной индукции B найдем из следующих соображений.
Магнитное поле в электромагнитном сепараторе создается за счет катушек намагничивания. Линии магнитной индукции (или магнитной поток) оказываются сосредоточенными в основном внутри сердечника
(магнитопровода) и проходят через наконечники полюса и концентраторы, т.е. магнитная индукция в магни-топроводе и в желобе одинакова по величине. Применим теорему о циркуляции напряженности магнитного поля Н к нашему замкнутому контуру. Напряженность поля в магнитопроводе можно считать всюду одинакоВ в
вой и равной Нжелез=-----------. В жидкости, находящейся в желобе, Нжид=---------------.
М0М'железс МоМжид
Обозначим длину участка контура в магнитопроводе 1 ммр , длину участка в жидкости 1 жид . Тогда циркуляцию можно представить в виде:
Н ■ 1 + Н ■ 1 + Н ■ 1 (12)
жел м.пр. жид жид жел жид . (|2)
Эта циркуляция напряженности магнитного поля должна быть равна N1, где N - суммарное число витков катушек; а I - сила тока.
Таким образом,
В
■ 1 +-
м.пр.
В
■■ 1 +-
жид
В
■ 1 жид=N ■ I.
.... ...... ...... (13)
М0Мжелеза М0Мжид М0Мжелеза
Решая уравнение (13) относительно магнитной индукции В, можно найти значение самой магнитной индукции В. Это полное значение магнитной индукции будет как-то рассредоточено на концентраторах, которые в основном и притягивают металлические частицы, находящиеся в жидкости. Будем считать, что магнитная индукция рассредоточена на концентраторах равномерно, т.е. будем считать концентраторы как точечные источники магнитной индукции. В этом случае, магнитную индукцию В можно представить в виде (1):
B = В -AB
1 - є
(14)
Приведем уравнение (14) к следующему виду:
B = Bmax-AB + ABe Лп = Bmln +ABe Лп
Тогда магнитная сила будет иметь вид:
( -і \
Vг Bm¡n + ABe а
КБ dB
V. AB
МоМ аУ
2 У Л
МоМ
V dn /
(15)
(16)
М0МЛп
С учетом найденных сил, составим дифференциальное уравнение движения частицы вдоль оси "оу":
( у 2 у ^
К AB
B е dn +ABe
' т 1п ^ 1 ‘^
ту
МоМdn
- вЖГП + Vr (рг - Ржид )# ,
или
.. 6жггп .
У +------—;у = ■
+
К (рг -ржид к
(17)
т тМ0М ^п т
Дифференциальное уравнение (17) не имеет точного аналитического решения. Поэтому разложим
у 2 у
функции е п и е п в ряд и возьмем первые два члена ряда:
у
а
У
У
У
а
-- 1 -21 2
е ¿п ~ 1-----------у е ¿п ~ 1-----------------у
*п ¿п
Подставив эти выражения в уравнение (17), получим:
V, ЛВ
.. 6пгп
у+--------г-у =
( 1 Л ( 1 ч
Вт1п
V п
1 у +ЛВ 1 у
1
V п
+ уг (р, -Ржид)§
т тм0м(^п т
После несложных преобразований, получим:
& + ППу + V ЛВ&т + 2ЛВ) у =
т тм0М
= у, лв(в„„ + ЛВ) + V,. (р -Ржи, к' <18>
тм0М ¿п т
Так, как Вт1п + ЛВ = Втах , то имеем в окончательном виде следующее дифференциальное уравнение:
у , 6П ГЛ ■ . VЛВ(Втах +ЛВ) , = VЛВВтах . V (Рг - Ржид Ь ....
у +--------у +--------77777-------у = „ „ л +-----------------. (19)
т тМ0М тМ0М т
Введем обозначения:
бЖГП = 2Ь УМКх +ЛВ) = с2 УгЛВВтах = р
т ’ тм0М’ тм0М^п т
Мы получим неоднородное линейное дифференциальное уравнение:
у + 2Ьу + с2у = р. (20)
Как известно, общее решение неоднородного дифференциального уравнения представляется как сумма общего решения у соответствующего однородного уравнения:
у + 2Ьу + с2 у = 0, (21)
и какого-нибудь частного решения уравнения (20) у/:
у = у + у'.
(22)
Таким образом, общее решение неоднородного дифференциального уравнения (20) будет найдено и определено в виде:
у = у + у' = у +4 = с,е-Ш > + с^ )* + 4. (23)
с с
Для электромагнитной установки УМС, разработанной авторами [1], имеем следующие значения основных величин:
ВтаХ= 0,204 Тл; В™ = 0,164Тл; ДВ = 0,04Тл; dn= 3,75'10-3м; = 1,26'10-6гн/м; р = 1; рц = 0,5мм = 5'10-4м;
рч = 7800 кг/м3; р жид = 920 кг/м3;
S =пг2 = 3,14 .(5.10-4 )2 = 0,785.10-6 м2; V, = |п23 = 4 п(5.10-4 )3 = 0,5.10-9 м3;
т = рч. V, = 7800. 0,5.10-9 = 3,9 -10-6 кг;
у= 300 мм2/с = 3.10-4 м2/с; п = Ржид-У= 920.3.10-4 = 0,276 кг/мс; д = 9,81 м/с2; ^ = 0,015 м.
Определяем значения расчетных коэффициентов 2Ь, с2, Ь, с, р:
6жгп 6.3,14.5.10-4. 0,276 1 , 2Ь 1
2Ь = —— =-------------------------------------------------------т-= 666,7 —; Ь = — = 333,3—;
т 3,9.10-6 С Ь С
C2 = VrАфшах + AB) = 0,5-10-9 ■ 0,04(0,204 + 0,04) = ? ,
mju0vd2n 3,9-10-6-1,26-10-6-1-3,75-10-3 ’ c2 ’
C = 47 = J7,06 -104 = 265,7 —;
C
VrAB ■ Вшах + Vr (pr ~Ржид )■ g = 0,5 -10-9 ■ 0,04 ■ 0,204 +
P m^0^dn m 3,9 -10-6 -1,26 -10-6 -1 ■ 3,75 -10-3
0,5-10 -9 (7800 - 920)-9,81 ^гсм
+ —-----------------—_ 221 + 8,65 _ 229,65—.
3,9 -10-6 с2
Находим частное решение неоднородного дифференциального уравнения:
, p 229,65 з
у _-£2 _---------г _ 3,25 -10 м .
с2 7,06-104
Общее решение неоднородного дифференциального уравнения определяется в следующем виде:
у = у + у = c1e-{b+r }t + c2e-(b-r ]t + y
Определяем коэффициент г:
r = Vb2 - c2 = V333,32 - 7,06 ■ 104 111088,89 - 70600 =
д/40488,89 = 201,2^.
Определяем коэффициенты C1 и C2:
r - b 333,3 - 201,2 nm_ n nnc
c, _-------h0 _-----------------0,015 _ 0,005;
1 2r 0 2 - 201,2
r + b , 333,3 + 201,2 AA1C nno
c2 _-------h0 _-----------------0,015 _ 0,02.
2 2r 2 - 201,2
у _ -0,005e-(333>3+201,2)t + 0,002e-(333>3-201>2)‘ + 3,25 -10-3 _
_ -0,005e“534t + 0,02e"132’lt + 3,25 -10-3.
Если пренебречь первым членом, как величиной бесконечно малой, то общее решение неоднородного дифференциального уравнения, описывающего движение частицы в электромагнитной установке УМС, принимает вид:
у _ 0,02e-132Д( + 0,00325 .
Найдем значение величины "у" за время t = 0,1 с:
yt=0,1с _ 0,02 - e”17’21 + 0,00325 _ 0,02 -1,8 -10-6 + 0,00325 _
_ 3,6 -10-8 + 0,00325 - 0,00325м.
Практически уже через время t = 0,1С частица стремится к величине / = 0,00325м, т.е. она уже достигла концентратора. Поэтому принимаем ti = 0,1 с.
Так как время нахождения частицы в желобе t2 = 6 с, то основные условия очистки жидкости от металлических примесей выполнено.
Литература
1. Зуев, В.С. Электромагнитные сепараторы: теория, конструкция / В.С. Зуев, В.И. Чарыков. - Курган: Зауралье, 2002. - 178 с.
2. Сумцов, В.Ф. Электромагнитные железоотделители / В.Ф. Сумцов. - М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.
с
УДК 331.45:631.3 Н.И. Чепелев, Н.Г. Иванченко
ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ АПК ОСНОВНЫМИ ВИДАМИ ТЕХНИКИ И ЕЕ БЕЗОПАСНОСТЬ
В статье приводятся анализ обеспечения сельскохозяйственного производства РФ основными техническими средствами для производства продукции и показатели производственного травматизма в АПК.
В настоящее время условия выполнения механизированных работ и использования техники в сельскохозяйственном производстве существенно отличаются от предыдущих лет. Вызвано это значительным сокращением технической оснащенности сельхозтоваропроизводителей всех форм собственности.
По данным ВНИИ охраны труда Минсельхоза РФ, на рис. 1 приведены данные по техническому оснащению агропромышленного комплекса России базовыми техническими средствами (тракторы и зерно-, кормоуборочные комбайны) за 1985-2003 годы.
о со I—
о
си
о
1600 1400 200 -000 -800 -600 400 -| 200 0
а
□ тракторы
□ зерно- и кормоуборочные комбайны
1985 1990 1995 1997 1998 2000 2002 2003
Годы
Рис. 1. Техническая оснащенность АПК России базовыми техническими средствами
Диаграмма показывает, что с 1990 года происходит интенсивное снижение числа тракторов, зерно- и кормоуборочных комбайнов. Аналогичная картина и с другой мобильной техникой: грузовыми автомобилями, мелиоративными машинами, специальными автомобилями, самоходными косилками и т.д.
Парк основных видов техники в сельскохозяйственных организациях Красноярского края также уменьшается с каждым годом.
25000 -|
20000 -
1- ч
15000 -
о со о си 10000 -
Т с; о 5000 -
0 -1
□ тракторы
□ зерно- и кормоуборочные комбайны
1995 2000 2003 2004
Годы
Рис. 2. Парк основных видов техники в сельскохозяйственных организациях Красноярского края
Число комбайнов на 1000 га посевов зерновых культур в России в среднем составляет 4,6 шт., что почти в четыре раза меньше, чем в Европе (16,3 шт.). Средняя сезонная нагрузка (по России) на комбайн возросла со 150 га в 1990 году до 300 га в 2003 году. Данные статистики по нашему краю приведены в таблице.
Обеспеченность сельскохозяйственных организаций тракторами и комбайнами в Красноярском крае
Показатель 1995 г. 2000 г. 2003 г. 2004 г.
Приходится тракторов на 1000 га пашни, шт. 7,1 5,8 5,0 4,3
Нагрузка пашни на 1 трактор, га 141 173 201 231
Приходится зерноуборочных комбайнов на 1000 га посевов, шт. 5,0 4,9 4,6 4,4
Приходится посевов на один зерноуборочный комбайн, га 198 204 216 225
Нагрузка на практически полностью изношенную технику значительно возросла и превышает нормативные данные. Это происходит в результате сокращения машинно-тракторного парка, а объем выполняемых работ остается неизменным.
В результате уборка зерновых культур растягивается на 25-30 дней и более, что приводит к недобору около трети выращенного урожая. Снижается валовой сбор зерна, при потребности на душу населения более 1000 кг в России этот показатель не превышает 300-320 кг.
Следует отметить, что имеющиеся базовые технические средства значительно изношены. По данным ГОСНИТИ, 60% тракторов и 45% зерноуборочных комбайнов в хозяйствах использовались более 10 лет. Это в полной мере можно отнести и к другой мобильной сельскохозяйственной технике.
Уменьшилась покупательная способность сельхозтоваропроизводителей в приобретении технических средств вследствие диспаритета цен на сельскохозяйственную продукцию и технику.
Приобретение тракторов в 2002 году, по сравнению с 1985 годом, сократилось в 15 раз, грузовых автомобилей в 6,5 раза, зерноуборочных комбайнов - в 9 раз.
Все это привело к тому, что машинно-тракторный парк сельского хозяйства в настоящее время находится на грани полной выработки технического ресурса. Анализ литературных источников показывает, что условия труда, в которых работают операторы по управлению сельхозтехникой, ее техническому обслуживанию и ремонту, меняются не только в течение сезона, но и в течение одной смены. В последние годы резко повысился травматизм, увеличилось число профессиональных заболеваний и несчастных случаев у операторов и слеса-рей-ремонтников при работе на мобильных сельскохозяйственных машинах, их обслуживании и текущем ремонте. Причинами их роста являются устаревшая техника, низкая ее надежность в эксплуатации, отсутствие плановых технических обслуживаний и ремонтов, нехватка квалифицированных специалистов по ремонту и эксплуатации. Отмечается, что в отрасли сельского хозяйства удельный вес травматизма с летальным исходом среди операторов мобильных сельскохозяйственных машин составляет около 13% от всех погибших на производстве. Основными источниками травмирования с временной потерей трудоспособности в растениеводстве являются тракторы - 35%, зерноуборочные комбайны - около 20% и транспортные средства - 6-15%. Также общим недостатком, влияющим на безопасность при эксплуатации оборудования, является отсутствие ограждений всевозможных передач, вращающихся и двигающихся частей оборудования и его деталей.
Например, на момент проверки сельскохозяйственных предприятий Красноярского края отсутствовали ограждения, предусмотренные заводом-изготовителем, на зернопогрузчиках зПС-60, ЗМ-60, КЗШ-16, зерноочистителях ОВС-25, СП-10А, ОС-4.5, прицепной вакуумной емкости в ОПХ «Боготольское», кормораздатчике КТУ-10, фрезерном и сверлильном станках в ЗАО «Тагарское», на заточных станках в ОАО «Критовское», ЗАО «Сибирь» (Балахтинский р-он) и др. Почти 90% зерноуборочных комбайнов в ОАО «Критовское», совхозе «Боготольский» и других хозяйствах эксплуатируется без защитного кожуха вала привода контпривода наклонной камеры. По этой причине в 2003 году произошли три тяжелых случая травматизма в хозяйствах Назаровского и Ужурского районов, причем в ЗАО «Дороховское» комбайнеру оторвало обе ноги. Зерновые комбайны, кормоуборочные самоходные комбайны (КСК-100, КПС-5Г) эксплуатируются без прохождения годового технического осмотра, не имеют талонов-допусков, выданных Гостехнадзором. Это характерно для большинства хозяйств края.
Исходя из вышеизложенного, следует сделать вывод, что безопасность труда операторов и слесарей-ремонтников зависит от технического состояния материально-технической базы АПК. Безопасность труда может быть обеспечена за счет своевременного выполнения плановых технических обслуживаний, совершенствования организационных мероприятий по повышению уровня безопасности операторов мобильных машин сельскохозяйственного назначения и работников ремонтных служб. А также при помощи разработок устройств, позволяющих повысить безопасность труда и снижение травматизма при ремонтных работах и эксплуатации сельскохозяйственной техники. Остается надеяться и на то, что власть, как законодательная, так и исполнительная, конкретно поможет сельским труженикам не только выжить, но и успешно справиться с поистине важнейшей задачей по возрождению села.
Литература
Сельское хозяйство Красноярского края: стат. сб. - Красноярск: Красноярскстат, 2005. - № 2-4. С. 48-53.
1.
УДК 532.5 МЛ. Коновалов
ГИДРОДИНАМИКА БАРБОТАЖНОГО СЛОЯ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМНОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ
Методом фото- и видеосъемки получены характерные картины барботажа в условиях вакуумной дистилляции с водяным паром. Определен вид критериального уравнения и выведены соотношения для расчета характеристик барботажного слоя в условиях вакуумной дистилляции с паром.
Барботаж пара имеет место в котельных установках, реакторах, выпарных установках, абсорберах, дистилляционных установках и др. Гидродинамическая обстановка в барботажном слое определяет истинный уровень в аппарате, величину уноса капель жидкости паром, а также существенно влияет на протекание тепло- и массообменных процессов.
в г
Проведение опытов по изучению барботажного водяного пара через растительное масло
Изучению и моделированию гидродинамических явлений в условиях барботажа посвящено немало работ [1-10]. Вместе с тем полученные результаты не обладают универсальностью. Причиной тому являют-
ся разнообразие условий барботажа и специфика постановки задач. Гидродинамика барботажного слоя очень сложна для аналитического описания. В связи с этим для моделирования гидродинамических явлений в данном случае рационально использовать метод теории подобия.
Одна из областей применения барботажа - дистилляция в токе водяного пара, характерная для химических и пищевых технологий. В частности, для дезодорации растительных масел. В данном случае процесс происходит в условиях вакуума, характеризуется разнообразием толщин (высот) барботажного слоя и расходов пара. При этом некоторые величины, входящие в предлагаемые критериальные уравнения [2,4], являются неизвестными по условию задачи.
На созданном экспериментальном стенде проведены предварительные опыты по изучению барботажа водяного пара через растительное масло. При этом наряду с визуальным наблюдением проводились фото- и видеосъемка процесса. Характерные картины барботажа, полученные фотосъемкой, представлены на рисунке.
Визуальное наблюдение, а также изучение фото- и видеоматериалов, говорят о разнообразии режимов барботажа. При этом в зависимости от расхода пара изменяются: размеры образуемых пузырьков, форма и размеры зоны влияния барботера, объемное паросодержание барботажного слоя. В некоторых режимах наблюдается характерное «раскачивание» барботажного слоя.
Детальное изучение фото- и видеоматериалов позволяет надеется, что с их помощью возможно установить средний диаметр образуемых паровых пузырьков, а также объемное паросодержание барботажного слоя. Эти данные, в свою очередь, могут быть использованы для построения соответствующих критериальных зависимостей и нахождения величин, необходимых для расчета массообмена в барботажном слое в условиях дистилляции в токе водяного пара, в частности, в условиях дезодорации растительных масел.
При описании гидромеханических явлений критерии (числа) подобия могут быть представлены в виде соотношения сил, действующих в жидкости. Применительно к двухфазным системам это силы тяжести, вязкости, инерции и поверхностного натяжения.
Соотношение сил тяжести и поверхностного натяжения характеризуется критерием (числом) Бонда:
Во = Ар-Г' ,
а
где I, д, о, Ар - характерный размер, ускорение свободного падения, коэффициент поверхностного натяжения, разность плотностей жидкой и паровой фазы соответственно.
Применительно к системе жидкость - пар в условиях вакуума характерных для дезодорации растительных масел, Ар практически равно плотности жидкой фазы (р).
Соотношение сил инерции и поверхностного натяжения характеризуется критерием (числом) Вебера:
Ще = ,
а
где м - скорость (применительно к условиям барботажа - скорость пузырьков в жидкой фазе).
Соотношение сил инерции и сил вязкости традиционно характеризуется критерием Рейнольдса:
№-1
Яе =------,
V
где V- кинематический коэффициент вязкости жидкости.
Соотношение сил инерции и сил тяжести характеризуется критерием Фруда, который применительно к двухфазной системе можно представить следующим образом:
2
Ег = _р№_ .
«-Др-1
Так как для системы жидкость - пар в условиях вакуума Ар практически равно плотности жидкой фазы (р), то критерий Фруда приобретает традиционный вид:
2
№
Ег = №
£-1
Соотношение сил вязкости и поверхностного натяжения характеризуется вязкостно-капиллярным критерием (числом):
N = £№, т а
где р - динамический коэффициент вязкости жидкости.
Применяют и другие критерии подобия, получаемые путем комбинирования названных критериев или путем их модификации.
В двухфазной системе действует четыре типа сил. Число независимых критериев, образованных в виде соотношения названных сил, в данном случае, очевидно, равно трем. Критериальные уравнения (уравнения подобия) составляются в виде зависимости определяемого критерия от определяющих критериев. Таким образом, число определяющих критериев равно двум. Третий (определяемый) критерий является функцией двух определяющих.
Выбор тех или иных критериев обусловлен возможностью (удобством) измерения величин, входящих в них. Возможность измерения скорости пузырьков в барботажном слое проблематична. Таким образом, в числе определяющих критериев желательно иметь те, в составе которых отсутствует скорость. Таковым является критерий Бонда. По структуре критерий Бонда соответствует параметрическому критерию, применяемому в [2]. Второй определяющий критерий можно сформировать путем модификации ранее перечисленных критериев.
Специфической и относительно легко измеряемой характеристикой в условиях барботажа является расход паровой фазы. Кроме того, расход пара является одним из основных параметров процесса. При этом, очевидно, имеет значение соотношение расхода пара и объема невозмущенной жидкости. В данном случае целесообразно модифицировать критерий Рейнольдса, выразив скорость через массовый расход паровой фазы, отнесенный к объему спокойной (невозмущенной) жидкости. Характерной скоростью при этом будем считать скорость выхода пара из отверстий барботера.
Выразим скорость через массовый расход пара (т^), отнесенный к объему (V) спокойной жидкости:
^ = Шу ■ V = ту-Бо-Н = ту Бо Н I
№ = РБ7 _ р-Б, ~~р' 5~Т‘ .
Здесь SD, §, Н - площадь поперечного сечения рабочей камеры, площадь поперечного сечения отверстия барботера, высота слоя спокойной жидкости соответственно.
Подставляя данное выражение для скорости в критерий Рейнольдса, получим модифицированный критерий Рейнольдса:
Яе = т^ Н I2 = шу-1 2 Бо Н
ет = р ' б/ I V ~ р ' б/ I '
Под характерным размером во всех критериях будем подразумевать диаметр отверстий барботера (60).
Заменяя характерный размер диаметром отверстий барботера, получим:
2
Во = ^ = р- 8-ао
Ег а Яе = Шу '^ ■ Бэ ■ _Н = Шу '^о ■ б ■Х
где Б, Ь - геометрические симплексы (отношение поперечных сечений рабочей камеры и отверстий барботера и отношение высоты спокойной жидкости к диаметру отверстий барботера соответственно).
В критериальные уравнения включают также отношения физических свойств фаз (в данном случае жидкой и паровой фаз) - вязкостей, плотностей. Считается [3], что во многих случаях движение внутри дискретной фазы (в данном случае паровой) оказывается несущественным, и симплексы в виде отношений свойств фаз не учитываются. Однако критериальные уравнения, полученные в [2; 4], содержат соотношение плотностей фаз с определенными показателями степени. Следовательно, имеет смысл, по крайней мере, на стадии формирования критериального уравнения сохранить соотношения свойств фаз.
Особенностью дистилляции в вакууме является то, что давление, а значит, и плотность паровой фазы, может существенно (в ряде случаев на порядок) меняться по толщине барботажного слоя. В этих условиях целесообразно в число определяющих безразмерных параметров включить отношение изменения давления по толщине барботажного слоя (Ар) к величине давления над поверхностью слоя (р). Использование в данном случае давления, а не плотностей, обусловлено возможностью его прямого измерения.
Важнейшей характеристикой барботажного слоя является его объемное паросодержание (в) - отношение объема паровой фазы к суммарному объему жидкости и пара в барботажном слое. Объемное паро-содержание можно определить, например, используя результаты видео- и фотосъемки. Речь идет об усредненном объемном паросодержании (для всего слоя). Величины, входящие в сформированные критерии подобия и отношения свойств фаз, можно определить по экспериментальным и справочным данным. В результате предлагается следующее критериальное уравнение:
в=своп1 яе :• (р~ V ■(рУ í Др
р) \ р) \ р Здесь используется традиционная степенная форма уравнения
Расчет паросодержания с помощью данного уравнения возможен после определения входящих в него коэффициентов: с, П1,-П5 на основе экспериментальных данных. При этом, очевидно, необходимо учесть влияние на коэффициенты режимов барботажа. Можно ожидать, что режим барботажа будет определяться модифицированным критерием Рейнольдса, так как визуальные наблюдения, а также видео- и фотосъемка показывают существенное влияние на гидродинамику расхода пара.
Численные значения объемного паросодержания позволяют рассчитать такие важные характеристики, как площадь межфазной поверхности, удельная (в расчете на единицу объема невозмущенной жидкости) площадь межфазной поверхности, усредненное время пребывания пузырьков в жидкости.
Для определения площади межфазной поверхности ^ф) необходимо знать средний диаметр парового пузырька (6).
с- с- -К с _ уп „ Л2_у„б_б в■у
Бф — п ■ Б, — — Б, — у--3—V ■ п ■ и —--------—---------—,
ф и уи и (п■ и3/б) и и (1 -в)
где п, Sd, V,,, Vd - число пузырьков в жидкости, площадь поверхности одного пузырька, объем пара в жидкости, объем одного (усредненного) пузырька соответственно.
Удельная объемная площадь межфазной поверхности
_Бф_ 6 в
Sv =-^ = -•
У d (1 -ß)
Усредненное время пребывания пузырьков в жидкости
т=УпР_ ß у p_ß-(пD2H/4) • Р,
m (l-ß) m (l-ß) m '
где m, рп- массовый расход и плотность пара соответственно.
Площадь межфазной поверхности необходима для расчета массообмена в барботажном слое.
Удельная объемная площадь межфазной поверхности, с одной стороны, является характеристикой, удобной для расчета площади межфазной поверхности при осуществлении масштабного перехода, с другой стороны, позволяет судить об эффективности использования объема рабочей камеры в процессе дистилляции с водяным паром.
Время пребывания пузырьков в жидкости является важной характеристикой процесса. Увеличение времени пребывания пузырьков в жидкости безусловно желательно, так как это способствует повышению степени насыщения паровой фазы отгоняемыми компонентами, а значит экономии пара, снижению затрат на создание вакуума, снижению остаточного давления в аппарате - то есть повышению эффективности работы установки в целом.
Литература
1. Кутателадзе, С.С. Гидродинамика газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович. - М., 1976. - 296 с.
2. Кутепов, А.М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании / А.М. Кутепов, Л.С. Стерман, Н.Г. Стюшин. - М.: Высш. шк., 1986. - 448 с.
3. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справ. / под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982. - 512 с.
4. Стерман, Л.С. Обобщение экспериментальных данных по барботажу пара через жидкость / Л.С. Стерман // ЖТФ. - 1956. - Т. 24. - Вып. 7. - С. 1519-1524.
5. Рамм, В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. - М.: Химия, 1966. - 701 с.
6. Азбель, Д.С. Гидродинамика барботажных процессов / Д.С. Азбель // Хим. пром-сть. - 1962. - №11. -С. 854-857.
7. Дементьев, Б.А. О влиянии диаметра колонки и давления на паросодержание водяного объема устройства с барботажем пара через воду / Б.А. Дементьев // Теплоэнергетика. - 1957. - №4. - С. 45-48.
8. Стерман, Л.С. К вопросу определения истинного уровня при барботаже пара через жидкость / Л.С. Стерман, Р.С. Лепилин // Теплоэнергетика. - 1960. - №1. - С. 45-47.
9. Стерман, Л.С. Использование Y-лучей для определения объемного напорного паросодержания и истинного уровня в аппарате / Л.С. Стерман, А.В. Сурнов // Теплоэнергетика. - 1955. - №8. - С. 39-44.
10. Стерман, Л.С. Влияние солесодержания котловых вод на гидродинамику при барботаже / Л.С. Стерман, А.В. Сурнов, В.П. Матвеев // Теплоэнергетика. - 1959. - №11. - С. 48-53.
