CC BY
16
УДК 631.861
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНСОЛЬНОГО СКРЕПЕРА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НАВОЗА
П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор
В.А. Филиппин, соискатель
ФГБНУ "НИИСХ Северо-Востока"
А.В. Алешкин, доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО "Вятский государственный университет"
E-mail: peter.savinyh@mail.ru
Аннотация. В статье представлены результаты экспериментально-теоретических исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров транспортера с возвратно-поступательным движением консольного скрепера для удаления навоза из животноводческих ферм с привязным содержанием скота. В производственных условиях свойства навоза не постоянны, а изменение его физико -механических свойств может существенно влиять на рабочий процесс навозоуборочных транспортеров. Технологический процесс движения навоза по каналу условно разбит на пять этапов. По результатам исследований получены уравнения, описывающие технологический процесс перемещения порции навоза на всех пяти этапах его движения. Расчетным путем получены зависимости затрат энергии на привод от длины канала, его высоты и ширины от высоты навоза в канале. Проведенные расчеты позволили определить оптимальные конструктивные размеры консольного скрепера в зависимости от физико-механических свойств навоза. Проведен расчет затрат энергии на привод консольного скрепера в зависимости от размеров навозного канала (его глубины и ширины). Полученные зависимости позволят разработчикам на стадии проектирования определить затраты энергии на привод в зависимости от вида навоза (жидкий, с большим количеством подстилки, с небольшим количеством подстилки), материалов, из которых изготовлены навозные каналы (различные коэффициенты трения навоза о материал), высоты навоза в канале (кратность его уборки) и других факторов.
Ключевые слова: консольный скрепер, уравнение движения, механическая система, работа сил привода, затраты энергии на перемещение тела волочения, геометрические параметры, этапы движения.
Целью теоретических исследований является получение математических зависимостей для обоснования конструктивных и технологических параметров консольного скрепера.
Основными конструктивными параметрами консольного скрепера являются его геометрические размеры - ширина и высота рабочего органа, а технологическими - производительность скрепера и энергоемкость привода. При определении геометрических размеров и технологических параметров необходимо учитывать физико-механические свойства навоза.
Для того, чтобы определить конструктивно-технологические параметры скрепера и их зависимость от различных факторов, про-
веден расчет затрат энергии на привод навозного транспортера с возвратно-поступательным движением рабочего органа.
Рабочий процесс консольного скрепера в канале можно условно разделить на несколько этапов: начало движения скрепера, перемещение навоза, обратный ход и возврат скрепера в первоначальное положение.
Каждый этап и в целом весь процесс можно описать математическими уравнениями.
Движение скребка с порцией массы навоза, заключенной между двумя скребками, установленными на расстоянии Ь друг от друга, начинается из состояния покоя, когда масса заполняет лоток равномерно до усредненного уровня к0 (рис. 1).
Т-Тп=Ае - Л1,
(2)
где Т - кинетическая энергия механической системы, Дж; Т0 - ее начальное значе-
ние, Т0 = 0; Ае - работа внешних сил, Дж; А1 - работа внутренних сил системы, Дж.
В механическую систему включаем один скребок с участком цепи длины Ь и сгребаемую им массу навоза площадью продольного сечения Б. В конце первого этапа движения скребка кинетическая энергия равна
Т =
(т+тск) • V2
где т = — - масса порции навоза, кг;
тск - масса скребка с соответствующим участком цепи и штанги, кг; и - рабочая скорость транспортера, м/с.
Работа внешних сил системы запишется А = Ащд + ^тр + -^прив. (3)
Работа внутренних сил запишется как
Л1 = А
Рис. 1. Расчетная схема формирования тела волочения порции навоза: а - до начала движения, б - в конце первого этапа движения
Первый этап движения - от начала движения неподвижного слоя, примыкающего к скребку, до начала смещения самой дальней точки от рассматриваемого скребка массы навоза, которая находилась в исходном положении на расстоянии Ь, (м) от данного скребка и примыкала к впереди идущему скребку.
Б = Ь -
где И0 - средний уровень массы навоза в лотке, м; S - площадь (м2) продольного сечения массы навоза, зависящая от общей его массы Мн (кг), накопленной от предыдущего включения транспортера.
5 = (1)
рпЬ
где р - плотность навоза без уплотнения, кг/м3; п - количество скребков, шт.; Ь - ширина лотка, м.
В конце первого этапа движения масса навоза формируется в виде треугольной призмы. Для составления исходного уравнения движения скребка на первом этапе воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии в интегральной форме
деф,
причем Атд - работа сил тяжести А-та = -шдНс,
(4)
(5)
где Нс - высота подъема центра тяжести тела волочения, м, записывается в виде выражения:
Нс = 1Н — —,
с 3 2 '
где И - уровень массы навоза в лотке, м.
АТр - работа внешних сил трения о поверхность на перемещении скребка на расстояние а от исходного положения. Масса тела волочения, вовлеченного в движение, линейно возрастает от нуля до т на длине Ь при перемещении скребка на величину а, тогда сила трения совершает работу, равную Атр = Атр1 + Атр2,
где Атр1 - работа сил трения о днище лотка.
А
тр1
¡■атд ,, ,
= -}0—/■х-йх — тскд-/-а =
— (1т + тск)д ■ / ■ а,
(6)
в этом выражении / — коэффициент трения движения; х - координата, отсчитываемая в направлении перемещения скребка;
т .
— - удельная масса навоза, кг/м, вовлеченная в движение, где
1
Атр2 =~а -Ь- р- д- /вН- а.
Работа внутренних сил при деформации
материала тела волочения:
(7)
2
Оставшееся слагаемое в выражении (3) для работы внешних сил в правой части теоремы об изменении кинетической энергии (Дприв - работа на привод скребка) может быть найдено из выражения (2) после подстановки в него всех определенных слагае-
мых:
А — Т
прив
Ау
Ат
А
+
прив
+тдНс + + тсК) +
1 п 1
+ ~а2 • ^ р^ д • / • а + -тд • а (9)
На втором этапе движения работа сил привода равна работе сил внешнего трения, так как кинетическая энергия постоянна, а деформация тела волочения отсутствует (рис. 2): Априв2
— (т + тсК)д •/•(12 + &) + + 1а2 • И. • р • д • [вн • [ • (Ь + (10)
где Д - величина перемещения скребка после достижения исходного положения впереди идущего скребка, м. Эта величина обусловлена необходимостью разворота сложенного скребка при последующем захвате тела волочения; 12 - длина тела волочения, определенная по формуле (3).
Рис. 2. Второй этап движения
Первое слагаемое соответствует работе силы трения о днище лотка. Второе слагаемое в выражении (10) отражает работу сил трения о боковые стенки, когда эта сила постоянна и равна ^ для каждой из стенок канала (рис. 3), причем коэффициент трения в
два раза больше, чем на первом этапе движения, потому что в движении участвует вся массы навоза одновременно.
1тд ^тр ^деф- (8)
Выражение (8) позволяет найти работу сил привода на первом этапе движения тела волочения от нуля до расстояния а, когда тело волочения сформировалось и сдвинулось целиком.
(т + тск)у2
Рис. 3. Схема естественного откоса при мысленном отбрасывании стенок лотка
На третьем этапе скребок движется назад на расстояние (Ь + Д), при этом абсолютная величина работы привода, затрачиваемая на преодоление сил трения и разгон скребка до скорости и, равна
-р2 (11)
А
привЗ — Т^ск9 •¡•(Ь + Д)+ —
На четвертом этапе происходит перемещение скребка вперед на расстояние Д до контакта со следующим телом волочения, разворотом скребка в рабочее положение и захватом порции навоза (рис. 4).
Рис. 4. Четвертый этап движения
Этот этап аналогичен первому, но с меньшей величиной деформации тела волочения, так как оно уже было сформировано и необходимо повторить сжатие только на расстоянии Д, поскольку при обратном ходе скребка тело волочения осыпается в направлении движения транспортера. Работа сил привода на четвертом этапе запишется:
А
прив4
(т + тск) • V2 2
+ тдНс4 +
+ (™-ск+1т)д • / • А +
11 + 1а2-к-р-д-/вН-/-А + 1тд-/0-А (12)
где все слагаемые аналогичны выражению (9) с учетом другого значения перемещения, равного А.
Высоту подъема центра тяжести массы т на четвертом этапе найдем как перемещение по вертикали части осыпавшегося материала, масса которого пропорциональна отношению поперечных площадей соответствующих треугольников со сторонами А и 12, а высота подъема равна (к — А - тогда
А2
НС4 = (к — А- гдфо)-^.
Пятый этап - это движение скребка при перемещении следующего тела волочения на расстояние Ь. Он подобен второму этапу
А
прив5
= (т + тск)д -ь +
(13)
причем количество перемещаемых тел волочения для всего транспортера уменьшаем на единицу.
Получив уравнения всех этапов движения скребка с порцией навоза, определяем работу системы как технологический процесс, состоящий из циклов (под циклом понимается движение скребка вперед по ходу до определенной точки и обратно в исходное положение).
Количество циклов зависит от количества скребков, и тогда работу системы можно выразить в уравнениях, описывающих первый цикл и все последующие, равные количеству скребков.
Первый цикл:
А
прив
(т + тск)ь2 2
+ тдНс +
+ (1т + тск)д • / • а +
+ - а2 • к • р • д • [вН • [ • а + -тд •^•а, (14)
А
прив2
= (т + тск)д • / ■(12 + А) +
+ -а2-к-р-д-1вн-!-(12+А)
(15)
А
прив3
= ™ск9 • [■(Ь + А)+-
2
. (16)
Второй цикл:
(т + тск) • V2
^прив4 2 +
+тдНС4 + (тск + 1т)д • / • А +
11 + -а2 • р • д • ! • А + -шд • А, (17)
Лприв5 = (т + тск)д • [ +
+ 1а2 • к • Р • 9 • fвн • f • Ь,
Л
= т^д • [•(ь + А)+-
(18) (19)
*прив3 "Lск¿
Во втором цикле количество тел волочения уменьшено на единицу. Третий цикл запишется так, как и второй, только количество тел волочения уменьшится на две единицы и т.д.
Полученные уравнения и проведенные расчеты позволили рассчитать ^4прив. - затраты энергии на привод консольного скрепера от начала процесса уборки навоза до его завершения.
В расчетах использовались такие факторы, как количество скребков п, ширина канала Ь, длина перемещения тела волочения Ь, высота навоза в канале И0, коэффициент трения навоза /, плотность навоза р, скорость движения скрепера и.
В результате полученных уравнений движения скребка с порцией массы навоза определены прямые зависимости технологических параметров консольного скрепера от его геометрических размеров. Эти зависимости представлены в виде графиков, которые наглядно демонстрируют взаимосвязь.
На рисунке 5 приведена зависимость изменения затрат энергии на привод £ Лприв. от длины перемещения Ь, количества скребков п при высоте навоза в канале И0 = 0,04 и И0 = 0,06 для каналов размером Ь = 0,6 м и Ь = 0,4 м, при коэффициенте трения / = 0,65 для всей системы, состоящей из двух каналов, при длине каждого канала 60 м.
На рисунке 6 представлена зависимость затрат энергии £АПрив. от длины перемещения Ь, количества скребков п, при высоте навоза в канале Ио = 0,08 и Ио = 0,1 для каналов размером Ь = 0,4 м и Ь = 0,6 м, при коэффициенте трения / = 0,65, при длине каждого канала 60 м.
2
ТПп„ • V
ск
ск
2
ХА прив.,
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Ь=4,4 (к0=0,04) ¿=6,6 (к0=0,04) Ь=4,4 (к0=0,06) Ь=6,6 (к0=0,06)
2 3 4 6 8 10 12 15 20 п, шт.
Рис. 5. Зависимость энергоемкости рабочего процесса £ Лприв. от ширины канала Ь, количества скребков п при высоте навоза в канале к0 = 0,04 и к0 = 0,06 и коэффициенте трения навоза / = 0,65
ХАприв.,
кДж. 6000
5000 4000 3000 2000 1000 0
А* V
ч
V
2 3 4 6 8 10 12 15 20
п, шт.
Рис. 6. Зависимость энергоемкости рабочего процесса £ Лприв. от ширины канала Ь, количества скребков п при к0 = 0,08 и к0 = 0,1 и коэффициенте трения навоза / = 0,65
о, т/ч 12
10 8 6 4 2 0
2 3 4 6 8 10 12 15 20
п, шт.
Рис. 7. Зависимость производительности транспортера Q от количества скребков п, высоты навоза в канале к0 и ширины канала Ь = 0,4 м
На рис. 7 - зависимость изменения производительности консольного скрепера Q от количества скребков п и высоты навоза в канале к при ширине канала Ь = 0,4 м.
Как видно из графиков, оптимальное количество скребков п колеблется от 6 до 10 шт., если к0 = 0,04-0,1 м при этом энергоемкость рабочего процесса £ ^прив. принимает минимальные значения (рис. 5, 6), а производительность Q максимальное значение (рис. 7). С увеличением высоты навоза в канале энергоемкость £ Априв. повышается, увеличивается энергоемкость £ Лприв. и при изменении ширины канала от 0,4 м до 0, 6 м (рис. 5, 6). При ширине канала Ь = 0,4 м максимальная производительность Q достигается при наибольшей величине высоты навоза в канале к0 = 0,1 м и количестве скребков п = 8 шт. (рис. 7).
Очевидно, что с увеличением высоты навоза в канале к0 и размера рабочего органа Ь повышается производительность Q, но при этом энергоемкость рабочего процесса £ Лприв. на формирование и перемещение тела волочения (порции навоза) увеличивается. Вероятнее всего с увеличением высоты навоза к0 более 0,1 м увеличится и оптимальное количество скребков п-
Для оптимизации конструктивно-технологических параметров скрепера необходимо провести расчеты затрат энергии (работы) системы при изменении коэффициента трения и скорости движения скребка с порцией навоза, которые позволят более полно охарактеризовать работу агрегата и определить оптимальные параметры.
Ь=0,4 (к0=0,08) Ь=0,6 (к0=0,08) ¿>=0,4 (к0=0,1) ¿>=0,6 (к0=0,1)
к0=0,04 к0=0,06 к0=0,08 к0=0,1
Journal of VNIIMZH №4(20)-2015
133
Литература:
1. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М.,1989. 160 с.
2. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос, 1978. 560 с.
3. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Исследования процесса уборки навоза штанговым транспортером с автоматизированной системой управления // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №4(12). С. 110-113.
Literatura:
1. Kovalev N.G., Glazkov I.K. Proektirovanie sistem uti-lizacii navoza na kompleksah. M.,1989. 160 s.
2. Mel'nikov S.V. Mekhanizaciya i avtomatizaciya zhi-votnovodcheskih ferm. L.: Kolos, 1978. 560 s.
3. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Issledovaniya processa uborki navoza shtangovym transporterom s avtomatiziro-vannoj sistemoj upravleniya // Vestnik VNIIMZH. 2013. №4(12). S. 110-113.
THE RESULTS OF THE THEORETICAL RESEARCHES ON A CONSOLE SCRAPER'S CONSTRUCTIVE-TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR MANURE REMOVAL'S JUSTIFICATION P.A. Savinyh, doctor of technical sciences, professor V.A. Filipchik, applicant FGBNY "North-East NIISH" V.A. Aleshkin, doctor of technical sciences, professor FGBOU VPO "Vyatky state University"
Abstract. The article presents the results of theoretical and experimental researches on constructive and technological parameters of conveyor with console scraper's return-translational motion to remove manure from cattle tie maintenance farms' justification. In farm's environments the manure properties are not constant, and its physical-mechanical change may significantly affect the manure removing conveyors' work. The technological process of the manure movement through the channel is conditionally divided into five stages. In the results of studies the equations describing the process of manure portion's removing on all five stages of its movement are obtained. By calculating the energy consumption accuracy's at drive's dependence on the channel length, height and width from the manure height in the channel are obtained. The given calculations had allowed to determine the console scraper's optimal constructive sizes in the depending on the manure physic and mechanical properties. The energy cost's calculation at the console scraper's drive depending on the manure channel's size is given (its depth and width). The obtained dependences will allow the developers at the design stage to determine the energy cost at the drive depend on the manure type (liquid, with plenty of litter, with not a lot of litter), the materials from which the manure channels are make (different manure friction on the material's coefficients), the manure height in the channel (its clining multiplicity) and other factors.
Keywords: console scraper, the equation of the motion, a mechanical system, the force of the drive's work, the energy cost at body of drawing's moving, geometrical parameters, the stages of moving.
