CC BY
50
2. Kormakov, L. F Tehnicheskaya modernizaciya agrarnogo proizvodstva - problemy, ih-prichiny i podhody k resheniyu [Tekst] / L. F. Kormakov // Jekonomika sel'skohozyajstvennyh i pere-rabatyvayuschih predpriyatij. - 2017. - № 4. - S. 28-32.
3. Osipov, A. Sovremennye tendencii razvitiya rossijskogo rynka zerna [Tekst] / A. Osipov, A. Davletshin, D. Fedyushin // Jekonomika sel'skogo hozyajstva Rossii. - 2015. -- № 3.
4. Okunev, G. A. Obosnovanie parametrov processa uborki zernovyh kul'tur [Tekst]/ G. A. Okunev, S. D. Shepeljov, V. D. Shepeljov // Agrarnaya nauka. - 2004. - № 2. - S. 11-12.
5. Sel'skoe hozyajstvo, ohota i lesovodstvo Volgogradskoj oblasti [Tekst] : stat. obozrenie / Terr. organ Fed. sluzhby gosudarstvennoj statistiki po Volgograd. obl. - Volgograd: Volgogradstat, 2015. - 195 s.
6. Territorially) organ Federal'noj sluzhby gosudarstvennoj statistiki po Volgogradskoj oblasti [Jelektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: http://volgastat.gks.ru/wps/wcm/ con-nect/rosstat_ts/volgastat/ru/ statistics/macroeconomics/
7. Federal'naya sluzhba gosudarstvennoj statistiki [Jelektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: http://www.gks.ru
8. Shepeljov, S. D. Povyshenie jeffektivnosti uborki na osnove ciklicheskogo sozrevaniya zernovyh kul'tur [Tekst] / S. D. Shepeljov, I. N. Kravchenko // Tehnika i oborudovanie dlya sela. -2011. - T. 169. - № 7. - S. 26-27.
9. Shepeljov, S. D. Obosnovanie soglasovannosti vzaimodejstviya zernouborochnyh kombajnov i transportnyh sredstv [Tekst] / S. D. Shepeljov, G. A. Okunev // Vestnik ChGAU. - 2005. - T. 45. - S.
10. Jekspertno-analiticheskij centr agrobiznesa [Jelektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: http://ab-centre.ru/page/selskoe-hozyaystvo-volgogradskoy-oblasti
11. Cherkasov, Yu. Differentiation of the seasonal loading of combine harvester depending on its technical readiness [Tekst] / Yu. Cherkasov, S. Shepelev, V. Shepelev // Procedia Engineering. -2015. - Vyp. 129. - S. 161-165. (Scopus).
E-mail: [email protected]
УДК 631.333.6
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ-РАЗБРАСЫВАТЕЛЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
THEORETICAL ANALYSIS OF THE WORK OF THE ADVANCED MIXER-SOLVENT SHREDDER OF SOLID ORGANIC FERTILIZERS
И.Б. Сычев1, аспирант А.Н. Цепляев1, доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.Г. Абезин 1,2,3 доктор технических наук, профессор В.А. Моторин1, кандидат технических наук
I.B. Sychev1, A.N. Tseplyaev1, V.G. Abezin1,2,3, V.A. Motorin1
1Волгоградский государственный аграрный университет 2Филиал Поволжского научно-исследовательского института эколого-мелиоративных технологий ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук» 3Астраханский государственный университет
1 Volgograd State Agrarian University
2The branch of the Povolzhsky Research Institute of Ecological and Meliorative Technologies of the Federal State Biological University "Federal Scientific Center of Agro-ecology, Complex Land Reclamation and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences"
3Astrakhan State University
Повышение плодородия почвы требует внесения органических удобрений. Большинство технологий внесения включает распределение удобрений по поверхности поля с последующей их заделкой в пахотный горизонт с помощью плугов или других почвообрабатывающих орудий. Из-
вестные машины для внесения твердых органических удобрений не отвечает агротехническим требованиям по качеству внесения: недостаточное измельчение, неравномерное распределение по поверхности поля. Цель настоящего исследования заключается в совершенствовании конструкции измельчителя-разбрасывателя, который обеспечивал бы измельчение твердых органических удобрений до однородной мелкокомковатой структуры, а также равномерно распределял измельченные удобрения по поверхности поля. Известные разбрасыватели включают цепочно-планчатые конвейеры-питатели, недостатком которых являются повышенные энергетические затраты и неравномерность подачи удобрений к измельчающему устройству, а соответственно и на поле. По результатам теоретического анализа следует отметить: найденные зависимости позволяютопределить сопротивление резанию органических удобрений, длину разрезанных частиц. Кроме того, получено значение массы удобрений, сброшенной барабаном за один оборот, которое может быть качественной оценкой работы разбрасывателя. По ней можно судить о фактической норме внесения удобрений, отклонении от этой нормы, а также производить настройку разбрасывателя непосредственно в полевых условиях. Разработанная конструкция обеспечивает выполнение всех агротехнических требований, повышает надежность работы измельчителя-разбрасывателя и производительность.
Increasing the fertility of the soil requires the application of organic fertilizers. Most application technologies include the distribution of fertilizers over the surface of the field and their subsequent incorporation into arable horizon with the help of plows or other tillage tools. Known machines for applying solid organic fertilizers do not meet the agro-technical requirements for the quality of application - insufficient grinding, uneven distribution over the surface of the field. The purpose of this study is to improve the design of the spreader chopper, which would provide grinding of solid organic fertilizers to a homogeneous fine-lumpy structure, and evenly distribute the ground fertilizer over the field surface. Known spreaders include chain-slat conveyor feeders, the disadvantage of which are increased energy costs and uneven feeding of fertilizers to the grinding device, and accordingly on the field. According to the results of the theoretical analysis, it should be noted that the dependences found allowing one to determine the resistance to cutting of organic fertilizers, the length of the cut particles, and also the value of the weight of fertilizers discarded by the drum in one revolution, which can be a qualitative estimate of the spreader's work. It can be used to judge the actual rate of application of fertilizers, deviation from this norm, and also to adjust the spreader directly in the field. The developed design ensures the fulfillment of all agro-technical requirements, improves the reliability of the grinder-spreader and the productivity.
Ключевые слова: транспортер-питатель, подбарабанье, противорежущие дуги, измельчающий барабан, ножи.
Key words: transporter-feeder, concave, opposing arcs, grinding drum, knives.
Введение. Высококачественное приготовление и равномерное распределение твердых органических удобрений по поверхности поля обеспечивает значительное повышение плодородия почвы и урожайность сельскохозяйственных культур [5].
Совершенствование конструкции измельчителя-разбрасывателя твердых органических удобрений позволяет значительно снизить трудоемкость внесения и уменьшить стоимость конструкции. При этом качество внесения обеспечивает соблюдение всех агротехнических требований.
Анализ известных исследований и патентных материалов показал, что существующие технологии и технические средства не отвечают агротехническим требованиям и требуют совершенствования [6,10].
В.П. Горячкин в своей теории резания лезвием утверждал, что процесс перерезания слоя удобрений состоит из двух этапов: предварительного уплотнения и непосредственного взаимодействия.
Силу воздействия ножа, обеспечивающего процесс резания, определяют из уравнения:
Ркр = Ррез +Тг + T2COSp.
ИЗВЕСТИЯ'
№ 1 (49), 2018
При скользящем резании, когда угол скольжения больше угла трения т > у, резание обеспечивается нормальным давлением, с участием боковой силы, которая создает скользящее движение частиц удобрений, обеспечивающее эффект перепиливания.
Материалы и методы. Разработана конструкция измельчителя-разбрасывателя твердых органических удобрений (рисунок 1), которая содержит бункер 1, установленный с помощью рамы на колесный ход 2.
777—777—777—ТП—777—773—777—777"
7 8 6
1
3
Вид А
7 8
К Г 1 г /1
1) Г-. ) V л А
КР Г \ V N л У 1 (1 >
[> /1 ) 1 >
Рисунок 1 - Конструкция измельчителя-разбрасывателя ТОУ: а - вид сбоку, б - вид сверху, в - схема расстановки ножей
В бункере (рисунок 1а, 1б) смонтирован подающий горизонтальный транспортер-питатель 3, над которым размещены удобрения. В конце транспортера-питателя 3, за задним бортом бункера 1 установлено подбарабанье 5 с противорежущими дугами 6. Над подбарабаньем 5 смонтирован измельчающий барабан 7 с ножами 8, размещенными на барабане по винтовым линиям левосторонней и правосторонней направленности (рис. 1в).
Измельчитель-разбрасыватель твердых органических удобрений работает следующим образом. Перед началом работы бункер 1 заполняется удобрениями. При движении измельчителя-разбрасывателя по полю подающий горизонтальный транспортер-питатель 3 перемещает удобрения 4 к измельчающему барабану 7. При этом дисковые ножи 10 разрезают нижний слой удобрений, а планки 9 захватывают измельченные удобрения 4 и транспортируют их на подбарабанье 5.
Измельчающий барабан 7 при взаимодействии с противорежущими дугами 6 производит крошение ТОУ. При этом резание удобрений производится со скольжением за счет постоянного изменения точки резания, в связи с тем, что ножи 8 расположены на барабане 7, а противорежущие дуги 6 по параболическим кривым, что значительно снижает затраты мощности на измельчение. Размещение ножей 8 по винтовым линиям левосторонней и правосторонней направленности позволяет сдвигать измельченную массу удобрений от центра к периферии, увеличивает ширину захвата измельчителя-разбрасывателя, этому способствуют противорежущие дуги 6. Применение дисковых ножей 10 на подающем горизонтальном транспортере-питателе 3 значительно снижает затраты мощности на его привод и обеспечивает предварительное измельчение твердых органических удобрений.
Технологический процесс измельчения твердых органических удобрений начинает выполняться при перемещении горизонтального транспортера-питателя 3 под твердыми органическими удобрениями. Резание органических волокнистых материалов следует рассматривать для данного конкретного случая как резание лезвием. При этом лезвие при внедрении ножа в материал под действием силы Р от всех твердых органических удобрений производит их измельчение главным образом режущей кромкой-вершиной двугранного угла, образованного боковыми гранями лезвия. Резание лезвием происходит в толще материала без образования стружки. Измельчению материала твердых органических удобрений под воздействием лезвия предшествует сжатие материала до образования разрушающего контактного напряжения ор [4].
Углубление кромки лезвия в слой удобрений (рисунок 2) до возникновения разрушающего контактного напряжения ор вызывает процесс резания.
При этом на нож действуют силы [7], Ррвз - сопротивление резанию; Рсж - силы сопротивления сжатию фаской лезвия; Робж - силы обжатия твердыми органическими удобрениями; N - нормальная сила, равная:
N = РСж^тр + Робж^^р. (1)
Сила трения:
Т2 = Nf, (2)
где f = tgy - коэффициент трения твердых органических удобрений о лезвие; ф - угол трения.
N = jp06x2 + pcx2 •cos ф. (3)
От силы Робж возникнет сила трения Тгна другой грани лезвия
Тг = РобЖ•/. (4)
Сила трения Т2 направлена вдоль лезвия, а вертикальная проекция этой силы
равна:
Г/= 7Vcos£. (5)
После подстановки значения N получим:
т:i = f (Рсж \ • sin 2Р + Робж • cos2 р) . (6)
При резании критическая сила Ркр преодолевает сумму всех сил в вертикальном направлении [1, 2, 3].
^кр — ^рез + ^сж +Т1 + T¿ (7)
Сила Ррез определяется как произведение площади кромки лезвия на разрушающее контактное напряжение (Гр:
^рез = РкрОр = 5МОр, (8)
где S - толщина лезвия; Al - длина лезвия.
Разрушающее контактное напряжение Ор определяется экспериментально, для соломистого навоза его величина Ор = (2,3.. ,3,5)10-6 Н/м2 [7].
Относительное сжатие Есж вертикального столбика в пределах фаски лезвия будет:
£Сж = |, (9)
где a - контактное напряжение, кгс/мм2; Е - модуль деформации, Н/мм2 (27.31 Н/мм2); Сила сжатия:
Рсж=-^к2сж1др. (10)
Сила обжатия фаски лезвия ножа:
Е rS Е S-2
Робж = M^Jo SidS = (11)
где ^ - коэффициент Пуасона (0,004. .0,061) [8].
После подстановки всех значений сил, противодействующих Ркр, получим:
Ркр = <4 + Щ + + f (Z¡£tgpsin2p + f + S-fcosp). (12)
После преобразования получим:
1кр = 1 2~h 307
^кр = <4 + --г- [tgp + fsin2p + К/ + cos2p)]. (13)
Измельчающий барабан 8 имеет ножи 6, у которых угол наклона ножа а относительно противорежущих дуг 6 и угол защемления равны друг другу.
Основными параметрами измельчающего барабана являются толщина Л разрезаемого слоя, расстояние а от вала измельчающего барабана до противорежущей дуги, диаметр барабана Лб, Усл - скорость подачи слоя твердых органических удобрений, а также скорость Уб вращения барабана.
При вращении барабана со скоростью ш траектория движения частиц твердых органических удобрений представляет собой трахоиду, которая описывается уравнениями в неподвижных осях координат 0х и 0у:
у = vt + ^ • cosюt, (14)
л сл 2
у = Еа. • (1 - 8ШЮ/), (15)
где £ - время поворота барабана на угол ф.
Расчетная длина резки /расч определяется из уравнения:
/расч = Кл (С + £) + - (^)2 - ^С (^У, (16)
где в - угол поворота барабана за время & или & = в/т; R - радиус барабана.
Из уравнения (16) расчетная длина резки:
^расч ^сл -. (17)
После подстановки значений в и ш.
I = V _ , (18)
расч сл ~ оп
2 — nz 30nz
где п - частота вращения барабана, с-1 г - число ножей на барабане.
Расстояние а от вала измельчающего барабана до противорежущей дуги из опытных данных [7].
а = 1,25 Об. (19)
Основным оценочным технологическим показателем работы любого разбрасывателя является равномерность внесения удобрений. Этот показатель зависит от многих факторов, но основными из них являются величины, влияющие на траекторию движения частицы. К ним можно отнести: скорость отрыва частицы от ножа ротора, сопротивление воздуха, направление и величина воздушного потока, высота падения частицы и др. В представленном материале рассмотрим траекторию движения в зависимости от скорости движения частицы как некоторого геометрического тела, летящего под некоторым углом а к горизонту [9].
На схеме (рисунок 3) Уг - скорость движения частицы под углом а горизонту, Ух -проекция скорости Уг на ось ох, Уу - соответственно на ось оу, дЬ-^ - скорость частицы, направленная вниз; - угол поворота барабана, равный в момент отрыва частицы от ножа; = = а; Я - радиус барабана.
Угол:
а = — - с • I, (20)
2 1
Ух = У2 • cos а, Уу = У2 • sin а — д^ , (21)
К^-эт а
I/.. =
соэ р'
308
Уг=^~, Уу = "-±^ — д11 . (22)
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (49) 2018
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Для определения траектории движения (21) частицы возьмем интеграл выражения (22).
2
у = . (23)
Полученное уравнение представляет собой параболу. Если в указанное выражение подставить значение времени то можно получить траекторию движения частицы при остановленной машине.
Однако, фактически машина перемещается, и тогда нож и все его точки движутся по циклоиде. Для соблюдения агротребований при разбрасывании частиц по поверхности поля необходимо, чтобы циклоида была удлиненной. Ее схема представлена на рисунке 4.
У
Рисунок 4 - Схема траектории движения точки лопатки барабана разбрасывателя
относительно измельченной массы
Уравнение траектории движения будет представлено в параметрическом виде по осям ОХ и OY.
* = Vm • h - R cos (24)
y = Rsina>t. (25)
Оценкой, характеризующей циклоиду, является кинематический параметр «X». Для его определения возьмем первую производную х, т.е.
Ух = х = Ум- Я^шЬ. (26)
Для рассматриваемого процесса частица должна оторваться от ножа в точке А1 и перемещаться в сторону, противоположную движению машины. Тогда предельное значение скоростей движения машины и проекции окружной скорости от вращения барабана будут равны нулю, а абсолютная скорость будет направлена вертикально вверх:
Vм = Rшsmшt1. (27)
Отсюда "А" будет равен:
А = — > 1. (28)
Vm v '
Тогда sin ш t1 = 7, а угол поворота барабана для отрыва частицы от ножа
л
= определится из выражения:
i
= arcsin- = р. (29)
я
Число оборотов барабана в секунду определится исходя из зависимости:
пб = Ум • (30)
где Ум - скорость разбрасывателя, м/с; Ьр - ширина захвата разбрасывателя, м; Q - норма внесения удобрений, кг/м2; ^р- масса удобрений, сброшенная барабаном за один оборот, кг/об.
Однако скорость разбрасывателя Vм напрямую связана с нормой внесения удобрений Q и скоростью транспортера «Утр»:
Vм = Утр • 1,
где 1 - передаточное отношение, тогда:
Ьр-С
пб = Vтр • 1--.
Чр
Учитывая, что угловая скорость барабана равна:
^ = (31)
зо' v '
подставим в уравнение (31), пб.
Отсюда qp будет равна:
(с-1). (32)
^■VTp-i-bp-Q
«Р = 30,0 Р . (33)
Полученное выражение (33) умножим и разделим на R (радиус барабана). Тогда:
Яр=Т' (34)
310
Заключение. По результатам теоретического анализа следует отметить: найденные зависимости позволяют определить сопротивление резанию органических удобрений, длину разрезанных частиц. Кроме того, получено значение ^р, которое может быть качественной оценкой работы разбрасывателя. По ней можно судить о фактической норме внесения удобрений, отклонении от этой нормы, а также производить настройку разбрасывателя непосредственно в полевых условиях.
Библиографический список
1. Босой, E.C. Режущие аппараты уборочных машин [Текст]: теория и расчет / E.C. Босой. - М.: «Машиностроение», 1967. - 167 с.
2. Горячкин, В.П. ^брание сочинений [Текст] / В.П. Горячкин. - М.: «Колос», 1965. -Т. З. - 720 с.
3. Желиговский В.А. Экспериментальная теория резания лезвием [Текст] /В. А. Жели-говский // Труды МИМЭет. - М., 1940. - Выпуск 9.11. - 27 с.
4. Завражнов, А.И. Механизация приготовления и хранения кормов [Текст] / А.И. За-вражнов, Д.И. Николаев. - М.: Агропромиздат, 1990. - ЗЗ6 с.: ил.
5. Марченко, Н.М. Механизация внесения органических удобрений [Текст] / Н.М. Марченко, Г.И. Лигман, А.Е. Мебалкин.- М.: Форум, 2007. - 176 с.: ил.
6. Мельников, СВ. Механизация и автоматизация животноводческих ферм [Текст] / СВ. Мельников. - Л.: Колос, 1978. - 560 с.
7. Резник, Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов [Текст] / Н.Е. Резник. - М.: «Машиностроение», 1975. - З11 с.
8. ^фоватка, В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах [Текст] / В.И. кроватка. - М.: ГНУ ВНИИМЖ, 2010. - 248 с.
9. ^релков, C.n. Механика [Текст] / СП. ^релков. - М., 1975. - 560 с.
10. Hvirvelker E. Undersqgelese veadtende gondtnq-stese arbeidsmode. Kobemhawn, 1962, 72 s.
References
1. Bosoj, E. S. Rezhuschie apparaty uborochnyh mashin [Tekst]: teoriya i raschet / E. S. Bosoj. - M.: «Mashinostroenie», 1967. - 167 s.
2. Goryachkin, V. P. Sobranie sochinenij [Tekst] / V. P. Goryachkin. - M.: "Kolos", 1965. - T. З. - 720 s.
3. Zheligovskij V. A. Jeksperimental'naya teoriya rezaniya lezviem [Tekst] /V. A. Zheligovskij // Trudy MIMJeSX. - M., 1940. - Vypusk 9.11. - 27 s.
4. Zavrazhnov, A. I. Mehanizaciya prigotovleniya i hraneniya kormov [Tekst] / A. I. Zavrazhnov, D. I. Nikolaev. - M.: Agropromizdat, 1990. - ЗЗ6 s.: il.
5. Marchenko, N. M. Mehanizaciya vneseniya organicheskih udobrenij [Tekst] / N. M. Marchenko, G. I. Ligman, A. E. Mebalkin. -- M.: Forum, 2007. - 176 s.: il.
6. Mel'nikov, S. V. Mehanizaciya i avtomatizaciya zhivotnovodcheskih ferm [Tekst] / S. V. Mel'nikov. - L.: Kolos, 1978. - 560 s.
7. Reznik, N. E. Teoriya rezaniya lezviem i osnovy rascheta rezhuschih apparatov [Tekst] / N. E. Reznik. - M.: «Mashinostroenie», 1975. - З11 s.
8. Syrovatka, V. I. Mashinnye tehnologii prigotovleniya kombikormov v hozyaj-stvah [Tekst] / V. I. Syrovatka. - M.: GNU VNIIMZh, 2010. - 248 s.
9. Strelkov, S. P. Mehanika [Tekst] / S. P. Strelkov. - M., 1975. - 560 s.
10. Hvirvelker E. Undersqgelese veadtende gondtnq-stese arbeidsmode. Kobemhawn, 1962, 72 s.
E-mail: [email protected]
