Результаты теоретических и экспериментальных исследований многолопастных рабочих органов роторного типа для распределения твердого навоза Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI: 10.12737/1777 УДК 631.333.6

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОЛОПАСТНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ РОТОРНОГО ТИПА ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОГО НАВОЗА

заведующий кафедрой эксплуатации машинно-тракторного парка, кандидат технических наук, доцент А. П. Дьячков заведующий кафедрой высшей математики и теоретической механики, доктор технических наук, профессор В. П. Шацкий кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка

А. Д. Бровченко

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры эксплуатации машинно-тракторного

парка Н. П. Колесников ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» super.ychitel2012@yandex.ru, sha.vladim@yandex.ru, ЬгоаМоШуа^ех.ги, тко1ау2060@уа^ех.ги

Одним из основных источников питания растений и повышения плодородия почв являются органические удобрения, в частности твердый навоз. Для более полного использования свойств удобрений и обеспечения окупаемости их внесения необходимо использовать прогрессивные технологии и высокопроизводительную технику, которая обеспечит их внесение с требуемым качеством и минимальными затратами труда и средств.

В современных условиях хозяйствования для внесения твердого навоза выгодно использовать двухфазную технологию с использованием валкователей-разб-расывателей РУН-Ф-15В и «Буран», обладающие высокой производительностью, что позволяет вносить требуемое количество удобрений за относительно короткий срок и заделывать их в почву одновременно несколькими пахотными агрегатами.

Существенным недостатком этой технологии, который сдерживает до настоя-

щего времени ее широкое распространение, является высокая неравномерность распределения навоза конструкциями, используемых валкователей-разбрасывате-лей, а также достаточно большая энергоемкость процесса распределения.

С целью устранения выше указанных недостатков предложена конструкция разбрасывателя твердого навоза из валков с многолопастными рабочими органами роторного типа [1, 2].

Для обоснования рациональных конструктивных и режимных параметров многолопастных роторов разбрасывателя разработана математическая модель процесса распределения твердого навоза спроектированной конструкцией рабочих органов [3, 4].

Математическая модель реализована в виде компьютерной программы с использованием типовых средств программирования, которая позволяет проследить за движением материала на всех этапах технологического процесса: формирование

валка удобрений с конкретными геометрическими параметрами; захват лопастями ротора удобрений из валка в определенном количестве; движение частиц материала по направляющей лопасти; сход частиц с лопасти, полет и распределение по поверхности почвы.

На начальном этапе проектирования конструкции с помощью математической модели, определены зависимости дальности полета частиц (Ьп тах) от радиуса лопастей (Д) последнего ряда роторов при различных углах их установки (0) относительно радиального положения (рис. 1)

Рис. 1. Теоретические зависимости максимальной дальности полета частиц удобрений в зависимости от радиуса лопастей последнего ряда роторов при разных углах наклона лопастей

относительно радиального положения

Для того чтобы обеспечить ширину внесения удобрений не ниже чем у серийных машин (РУН-Ф-15В, «Буран») принят радиус лопастей последнего ряда роторов равный R=0,4 м, обеспечивающий теоретическую дальность полета, при радиальном расположении лопастей, в пределах Lп=20,4 ...23,5 м в одну сторону при среднем коэффициенте парусности кп=0,15 м-1, что соответствует общей ширине рассева В=41...47 м.

Теоретические расчеты показали, что при увеличении зоны загрузки лопастей Ьз (толщина слоя удобрений, захватываемая одной лопастью) увеличивается сектор рассева частиц удобрений. При этом они распределяются на различное расстояние от роторов. При определенном значении зоны загрузки начинается перераспределение частиц удобрений, что приводит к нарушению процесса распределения, а также к снижению общей ширины рассева. Такое

значение зоны загрузки обозначено как «предельная» зона загрузки Ьз пр лопастей ротора.

В связи с этим получена теоретическая зависимость «предельной» зоны загрузки от угла наклона лопастей при их различной длине (рис. 2). «Предельная» зона загрузки лопастей при их радиальном положении находится в пределах 0,05.. .0,12 м и в среднем составляет 0,08 м. Учитывая максимальную высоту валков

удобрений ^ = 0,4 м), ограничивающуюся размером проходного окна валкообразова-телей серийных разбрасывателей и дорожным просветом тракторов тягового класса 3,0, получили максимальное количество рядов лопастей на роторах равное 4.

Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен опытный образец разбрасывателя с многолопастными роторами, агрегатируемый с тракторами тягового класса 3,0.

Ьз.пр, м 0,16

0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02

_ в, град

15

R=0,15 м

-15 -10 -5 0 5 10 -R=0,4 м — - R=0,35 м - - ■ R=0,3 м — - R=0,25 м — - R=0,2 м

Рис. 2. Теоретические зависимости «предельной» зоны загрузки от угла наклона лопастей при различной длине лопастей

С целью проверки работоспособности конструкции, получения данных о параметрах формирования валков удобрений и данных для математической модели проведены предварительные испытания опытного образца, в ходе которых сформированы три валка удобрений, соответствующие определенной секундной подаче ^с) материала на роторы и проведено их профили-

рование.

В ходе экспериментов по каждому из трех уложенных валков определяли характер распределения удобрений двумя конструктивными вариантами роторов: использовали однорядные (1 л) или четырехрядные (4 л) роторы.

По полученным графикам распределения, в соответствии с действующим ста-

ндартом [5], рассчитывались следующие показатели: неравномерность распределения на общей ширине внесения V, доза внесения на рабочей ширине внесения Dвр, общая В и рабочая ширина внесения Вр, перекрытие смежных проходов Р (табл. 1).

Анализ данных показал, что во всех вариантах секундных подач удобрений, преимущество имеют четырехрядные роторы, по такому показателю как рабочая ширина внесения. Явное преимущество просматривается при увеличении секунд-

ной подачи удобрений.

Схожие результаты распределения в обоих вариантах рабочих органов при qc = 122 кг/с можно объяснить следующим. Наблюдения за работой роторов показали, что в распределении материала участвовали, в основном, лопасти четвертого (последнего) ряда и в незначительной степени лопасти третьего ряда. Это связано с относительно небольшой высотой уложенного валка.

Таблица 1

Результаты расчетов параметров распределения удобрений (предварительные испытания _опытного образца)_

Определяемые показатели Сформированные валки удобрений, соответствующие секундным подачам qc, кг/с

122 165 316

1л 4л 1л 4л 1л 4л

1. Неравномерность внесения V, % 54,2 47,7 79,7 68,1 77,6 71,6

2. Доза внесения на рабочей ширине внесения Dвр, кг/м2 4,43 3,9 4,88 4,21 8,32 6,88

3. Общая ширина внесения В, м 48 45,5 46 46 43 41,5

4. Рабочая ширина внесения Вр, м 16,5 18,5 21 24 22,5 27,5

5. Перекрытие Р, м 14,5 12,5 11,5 10 9,5 6,5

Для проверки адекватности разработанной математической модели, исходные данные, полученные в ходе предварительных испытаний опытного образца, были заложены в математическую модель работы многолопастных роторов. В результате получены теоретические кривые распределения частиц удобрений.

Как видно из графиков (рис. 3 а, б) теоретические и экспериментальные кривые достаточно близки, что говорит об адекватности математической модели.

Хорошая сходимость теоретических и экспериментальных исследований позволила определить наиболее рациональные значения таких параметров как количество рядов ротора и радиус лопастей каждого ряда с помощью «вычислительных» экспериментов.

Проведенные многочисленные компьютерные расчеты распределения частиц рабочими органами, с разными соотношениями выше названных параметров, позволили выявить наилучшие варианты роторов

(а)

(б)

Рис. 3. Сравнение теоретических и экспериментальных эпюр распределения частиц удобрений (для валка удобрений с секундной подачей 165 кг/с)

с определенными конструктивными параметрами, для различных секундных подач удобрений (табл. 2).

Как видно из табл. 2, в диапазоне секундных подач материала от 90 до 170 кг/с выгодно использовать двухрядные роторы; при секундных подачах от 200 до 290 кг/с лучшие результаты показали трехрядные роторы, при секундных подачах свыше 300 кг/с следует использовать четырехрядные роторы. Наилучшие варианты рабочих органов определяли по теоретической рабочей ширине внесения.

Чтобы определить влияние на качество распределения такого параметра как угол установки лопастей относительно радиального положения, проведены дополнительные вычислительные эксперименты для выбранных рациональных параметров роторов (табл. 2) по каждому расчетному валку.

Анализ полученных зависимостей (рис. 4) показал, что практически во всем диапазоне секундных подач наибольшая теоретическая рабочая ширина внесения соответствует ориентации лопастей под

Таблица 2

Результаты теоретических исследований по обоснованию количества рядов лопастей и _радиуса лопастей каждого ряда_

Расчетные показатели Варианты валков удобрений, соответствующие секундным подачам удобрений qc, кг/с

99 161 222 283 348

1. Радиусы лопастей R рядов роторов, м ^=0,4; R2=0,32 ^=0,4; R2=0,24 ^=0,4; R2=0,16; Rз=0,12 ^=0,4; R2=0,28; Rз=0,16 ^=0,4; R2=0,32; Rз=0,18; Я4=0,16

2. Теоретическая неравномерность распределения ут, % 73,4 70,2 63,2 60,7 61,9

3. Теоретическая рабочая ширина внесения Врт, м 27,5 29 33,5 35 37,5

-qc = 99 кг/с -qc = 161 кг/с -qc = 222 кг/с

-qc = 283 кг/с -qc = 348 кг/с

Рис. 4. Теоретические зависимости рабочей ширины внесения от угла наклона лопастей

рядов ротора

углом 0 = 0...-5 Полученные результаты можно объяснить следующим. При положительных углах установки лопастей, за счет действия составляющей от центробежной силы, увеличивается сила трения частиц разбрасываемого материала о лопа-

сти. Следовательно, увеличивается время нахождения их на лопасти. При этом угол сектора рассева смещается в зону больших значений углов вылета частиц относительно горизонта. Все это приводит к тому, что определенное количество частиц выбрасы-

вается вертикально вверх или перебрасывается через ротор, что ухудшает распределение. При отрицательных углах установки в пределах 0 = —10..—15 ° сила трения уменьшается. Сектор рассева смещается в противоположную сторону. Поэтому частицы сходят с лопасти раньше и располагаются вблизи от оси вращения ротора, что также ухудшает распределение.

Следующим этапом исследований являлась экспериментальная проверка теоретических предпосылок. В начале экспериментальных исследований необходимо было проверить качественные показатели распределения удобрений многолопастными роторами с рациональными параметрами, полученными в ходе теоретических исследований, для различных секундных подач материала.

За основные показатели качества рассева принималась неравномерность распределения удобрений на общей и рабочей ширине рассева.

Для реализации первого этапа экспериментов на разбрасыватель устанавливали сменные комплекты лопастей согласно табл. 2. Все лопасти на роторе устанавливали радиально. Ширина лопастей равнялась Ьл=0,13 м.

В результате исследований получены эпюры распределения твердого навоза. Однако, в таком виде они малоинформативные. Для более наглядного представления результатов экспериментов, они были обработаны методами математической статистики согласно ГОСТ 28718-90 и представлены в виде табл. 3.

Показатели Валки удобрений, (кг/с)

99 161 222 283 348

Общая ширина внесения В, м 49 50 49 49 47,5

Неравномерность на общей ширине внесения V, % 75,5 73,5 67,3 65,03 59,9

Рабочая ширина внесения Вр, м 26,5 28,5 31 32,5 33,5

Неравномерность на рабочей ширине внесения % 24,32 24,43 24,38 24,3 24,25

Перекрытие смежных проходов Р, м 12 11 9 8 6,5

Доза внесения Dвр, кг/м2 2,01 3,46 4,37 5,16 6,29

Таблица 3

Сводные результаты экспериментальных исследований

Данные табл. 3 показывают, что в диапазоне доз внесения Dвр=2,0...6,3 кг/м2 многолопастные роторы обеспечивают рабочую ширину внесения Вр=26,5.. .33,5 м при перекрытии смежных проходов Р= 6,5.12 м. При этом неравномерность рас-

пределения составляет ур=24,25...24,43 %. Соответственно будет обеспечиваться рабочая ширина внесения на уровне машин серийного производства (РУН-Ф-15В, «Буран») у которых она (по технической характеристике) составляет Вр=30.. .35 м.

Следующий этап экспериментальных исследований был посвящен поиску рациональных значений ширины и угла установки лопастей.

Анализ полученных зависимостей (рис. 5) рабочей ширины внесения от ширины лопасти показал, что при увеличении ширины лопасти Ьл от 0,11 м до 0,14 м рабочая ширина внесения увеличивается при всех секундных подачах удобрений. Дальнейшее увеличение ширины лопасти не приводит к значительным изменениям рабочей ширины внесения.

По-видимому, при заданных значени-

ях поступательной скорости движения (V =1,55.1,63 м/с), количестве рядов лопастей (от 2 до 4 рядов) и количестве лопастей в ряду ^ = 3), обеспечивается наиболее стабильное «срезание» стружки удобрений из валка лопастями, без их перегрузки. Снижение рабочей ширины внесения при Ьл = 0,13.0,11 м можно объяснить перегрузкой лопастей ротора удобрениями, что приводит к преждевременному сходу их с лопасти, прежде чем она достигнет конца выбросного порога. Это приводит к тому, что удобрения распределяются вблизи разбрасывателя неравномерно.

♦ qc = 99 кг/с ■ qc =161 кг/с ▲ qc =222 кг/с X qc =283 кг/с о qc =348 кг/с

Рис. 5. Зависимость рабочей ширины внесения от ширины лопастей

Угол установки лопастей также влияет на качество распределения удобрений. Анализ представленных графиков (рис. 6) показывает - наибольшие значения рабочей ширины внесения получены при углах установки лопастей 0 = -5.0 °, что подтверждает результаты теоретических исследований.

При установке лопастей под углом

свыше 0 = +10 ° ротор перебрасывает часть удобрений через себя. Данное предположение подтверждается визуальным наблюдением за работой разбрасывателя. Отклонение лопастей на угол 0 = -15 ° вызывает скопление основной массы поблизости от разбрасывателя, что также ухудшает качество их распределения.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

♦ qc = 99 кг/с ■ qc = 161 кг/с А qc = 222 кг/с X qc = 283 кг/с о qc = 348 кг/с

Рис. 6. Зависимость рабочей ширины внесения от угла наклона лопастей ротора

Таким образом, полученные результаты исследований свидетельствуют о целесообразности использования разбрасывателя твердого навоза из валков с многолопастными рабочими органами роторного типа. Применение разработанной конструкции в диапазоне секундных подач удобрений 99.348 кг/с обеспечит дозы внесения от 1,89 до 6,24 кг/м2, что соответствует дозам внесения твердых органических удобрений для Центрально-Черноземного региона. При этом, рабочая ширина внесения составляет 27,5.33,5 м при перекрытии смежных проходов от 6 до 10,5 м. На многолопастных роторах ширина лопастей должна составлять 0,14.0,15 м, а угол наклона лопастей - 10.0 °.

Библиографический список

1. Пат. 2222883 Р Ф, МПК7 А 01 С 3/06, 15/00. Разбрасыватель органических

удобрений / А.П. Дьячков, А.Д. Бровченко; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. аграр. ун-т. № 2002115216/12; заявл. 06.06.02; опубл. 10.02.04, Бюл. № 4. 2 ил.

2. Пат. 2289905 Российская Федерация, МПК8 А 01 С 3/06. Разбрасыватель органических удобрений / А.П. Дьячков,

H.И. Теплинский, С.Т. Перегудов [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Воронеж. гос. аграр. ун-т. им. К. Д. Глинки». № 2005118546/12; заявл. 15.06. 05; опубл. 27.12.06, Бюл. № 36. 4 ил.

3. Дьячков А.П., Бровченко А.Д. К вопросу захвата органических удобрений лопастями рабочих органов роторного типа // Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства: сб. науч. тр. Воронеж: Воронеж. гос. аграр. ун-т, 2008. Ч.

I. С. 152-155.

4. Дьячков А.П., Бровченко А.Д. Математическое моделирование распределения удобрений многолопастными роторами //

Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. №10. С. 12-13.

5. ГОСТ 28718-90. Машины сельскохозяйственные и лесные. Машины для

внесения твердых органических удобрений. Методы испытаний. Введен впервые; введ. 1991-07-01. М.: Стандартинформ, 2005. 9 с.

DOI: 10.12737/1778 УДК 629.35

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЕМОЙ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ПОДВЕСКИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Д. С. Любавский ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

dsliubavsky@mail.ru

Автотранспортные средства (АТС), перевозящие низкоплотный груз, например бревна, или трубы, имеют высоко расположенный центр тяжести [1, 2, 3]. При поворотах автотранспортные средства на большой скорости и с малым радиусом возникает опасность существенного крена и опрокидывания АТС. Увеличить скорость движения на поворотах, и соответственно производительность АТС, можно за счет оснащения его управляемой пневматической подвеской [4]. В настоящее время подвески с управляемыми параметрами широко используются в пассажирских автобусах и автомобилях престижных моделей [5]. В случае автопоезда предлагается устройство управления, которое при начале вращения рулевого колеса при входе в поворот, снижает жесткость подвески колес тягача и прицепа по внутреннему борту (по отношению к окружности поворота). При этом АТС оседает на внутренний борт, и центр тяжести смещается так, что поворот того же радиуса может быть преодолен на большей скорости без опрокидывания.

Ранее нами разработана математическая модель движения АТС на повороте [6]. В качестве АТС выступал лесовозный автопоезд, состоящий из тягача и прицепа-роспуска, перевозящий пакет бревен. Целью данной работы является исследование математической модели с целью определения оптимальных параметров системы управления подвеской и оценка ее эффективности в различных режимах эксплуатации.

Модель, в целом, основана на методах классической механики [7, 8]. Тягач, прицеп и пакет бревен в модели представляются, как отдельные абсолютно твердые тела, взаимодействующие между собой и с опорной поверхностью [9]. Тела имеют массы тТ, тР и тБ и моменты инерции JТ, Jp и JБ соответственно. При этом моменты инерции зависят от текущего положения осей вращения и пересчитываются для каждого момента времени. Положение тел в пространстве характеризуется декартовыми координатами их центров тяжести (хТ, уТ, zТ), (хР, уР, zp) и (хБ, уБ, zБ), а также углами отклонения локальной системы координат от общей базовой (фхТ, фут, Ф/г), (фхР,