WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Повышение эффективности переработки льновороха путем совершенствования рабочих органов устройства разделения насыпи

На правах рукописи

Сотченков Александр Витальевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ЛЬНОВОРОХА ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ УСТРОЙСТВА РАЗДЕЛЕНИЯ НАСЫПИ

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2007

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Катченков Сергей Александрович

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор

Белов Валерий Васильевич,

Санкт-Петербуогсий ГАУ;

– кандидат технических наук, доцент

Перекопский Александр Николаевич,

ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии

Ведущая организация – Всероссийский научно-исследовательский

институт льна Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится 1 ноября 2007 г. в 11 часов на заседании
диссертационного совета К 006.054.01 при Государственном научном
учреждении «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук» по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево,
Фильтровское ш., 3, факс (812) 466-56-66

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии

Автореферат разослан «_____» __________________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Черей Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Лен – традиционно возделываемая в России ценнейшая техническая культура. В настоящее время наблюдается повсеместное сокращение посевных площадей льна-долгунца. Подобное положение в отрасли сложилось из-за недостаточного технического оснащения, материального обеспечения льносеющих хозяйств и снижения урожайности льна, вызывающее увеличение себестоимости льнопродукции.

Один из путей повышения урожайности льна-долгунца – обеспечение сельскохозяйственных предприятий кондиционным посевным материалом.

В Нечерноземной зоне РФ для уборки льна в основном используют комбайновый способ, недостатком которого является сложность переработки льновороха, представляющею собой связанную, трудноразделимую массу.

Известные конструкции загрузочных устройств не обеспечивают равномерную подачу влажного (50%) и со значительным содержанием путанины (60…70%) льновороха на предварительную сепарацию или в сушильную камеру, происходит снижение посевных качеств семян льна и неэффективное расходование тепловой энергии.

Для повышения равномерности подачи льновороха на предварительную сепарацию или в сушильную камеру необходимо разработать и обосновать параметры и режимы рабочих органов устройства разделения насыпи вороха, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность и производительность, вписывающиеся в технологическую схему переработки льновороха.

Работа выполнена в соответствии с проблемой «Разработка регионально-адаптированных технологических и технических средств для производства продукции растениеводства и животноводства в хозяйствах Северо - Запада России».

Цель исследования. Повысить качество льносемян и снизить энергозатраты, за счет равномерной подачи льновороха на предварительную сепарацию или в сушильную камеру, путем совершенствования рабочих органов устройства для разделения насыпи вороха.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований является процесс разделения льновороха. Предметом исследование является совершенствование рабочих органов устройства разделения насыпи льновороха и определение рациональных параметров и режимов.

Научную новизну работы составляют: зависимость для определения длины лезвия ножа; математическая модель разделения стеблей льна; математическая модель, позволяющая получить рациональные параметры и режимы рабочего органа для разделения насыпи льновороха; математическая модель, позволяющая установить параметры и режимы рабочего органа при изменении фракционного состава льновороха.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований определены рациональные параметры и режимы рабочего органа для разделения насыпи льновороха. Разработана схема устройства для разделения насыпи льновороха и методика позволяющая определить затраты энергии на разделение вороха.

Основные положения, выносимые на защиту:

  • результаты теоретического исследования разделения насыпи льновороха;
  • результаты экспериментальных исследований;
  • усовершенствованный рабочий орган для разделения насыпи льновороха;
  • схема устройства для разделения насыпи льновороха;
  • методика определения затрат энергии на разделение насыпи льновороха;
  • технико-экономические показатели эффективности разделения насыпи льновороха.

Реализация результатов исследований. Материалы исследований переданы в КБ завода ООО «Велмаш-Сервис» и были использованы при разработке активных рабочих органов машин для разрушения и измельчения материалов растительного и минерального происхождения.

Апробации работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского ГАУ (2006 г.); научно-практической конференции Великолукской ГСХА (2006 - 2007 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных литературных источников из 149 наименований, приложения. Содержит 140 страниц, 10 таблиц, 71 рисунков и 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель, задачи и представлены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса, цели и задачи исследований» проведен обзор и анализ способов уборки льна-долгунца, существующих загрузочных устройств для подачи льновороха на предварительную сепарацию или в сушилку, исследований по резанию растительных материалов, изложено состояние проблемы.

Исследованию по загрузки льновороха в сушильную камеру посвящены работы В.В. Буровой, Н.Н. Быкова, А.И. Вайнруба, Н.И. Володько, А.Ф. Еругина, Е.М. Зимина, Л.М. Пальмовского, А.Г. Тарлецкого, В.А. Шаршунова и других ученых.

Отмечая значимость ранее выполненных работ, можно отметить, что не все вопросы решены до настоящего времени. На основе проведенного анализа установлено, что существующие загрузочные устройства не обеспечивают равномерную подачу льновороха на предварительную сепарацию или в сушильную камеру. В результате снижаются посевных качества семян льна.

При подачи льновороха на предварительную сепарацию или в сушильную камеру необходимо, чтобы ворох к загрузочному устройству поступал равномерным слоем. Поэтому требуется разделить насыпи льновороха перед загрузчиком.

В соответствии с целью определены следующие задачи исследований:

  • Провести сравнительный анализ существующих загрузочных устройств подачи льновороха на предварительную сепарацию или в сушильную камеру;
  • Выполнить теоретические исследования разделения насыпи льновороха;
  • Обосновать и разработать экспериментальные лабораторные установки;
  • Исследовать возможность использования для разделения стеблей льна ротационный рабочий орган;
  • Провести лабораторные исследования разделение насыпи льновороха рабочим органом;
  • Определить рациональные параметры рабочего органов для разделения насыпи льновороха;
  • Разработать методику определения энергозатрат на разделения насыпи льновороха;
  • Выполнить технико-экономическую оценку разделения насыпи льновороха перед подачей на сепарацию или в сушильную камеру.

Во втором разделе «Теоретические исследования процесса разделение льновороха» изложены теоретические исследования разделения льновороха.

В результате проведенных поисковых исследований установлено, что стебли льна могут быть разделены ножом, поэтому в качестве рабочего органа для разделения льновороха можно рассматривать диск с ножами.

Для определения длины лезвия ножа, рассмотрено движение одного стебля льна относительно ножа в процессе разделения. Стебель движется по режущей кромке равномерно и прямолинейно из т. В в т. В1 (рис. 1). Путь Lцт, пройденный центром тяжести стебля можно разложить на нормальную Sn и касательную составляющею St и определить по теореме Пифагора. В процессе разделения центр тяжести стебля в направлении оси ОY переместится на расстояние d. Тогда нормальная составляющая пути Sn=d. Тангенциальную составляющую St, можно определить по выражению:

. (1)

По выражению, предложенному В.П. Горячкиным, найдем коэффициент скольжения =St/Sn=tg. Сделав необходимые преобразования, получим зависимость для определения длины лезвия ножа:

. (2)

Используя выражение (2) построим график зависимости длины лезвия ножа от угла скольжения для различных диаметров стеблей льна (рис. 2).

Для обоснования угловой скорости ножа рассмотрено движение стебля льна в процессе резания (рис. 3). Нож вращается вокруг точки О с постоянной угловой скоростью н. При повороте ножа на угол происходит полное разделение стебля. Время поворота ножа на угол, определяется по выражению:

. (3)

Проведя преобразования, получим зависимость для определения угловой скорости диска с ножами:

(4)

Дифференциальное уравнение движения стебля по ножу имеет вид:

(5)

При составлении уравнения (5) за начало координат, принята точки В, расположенной в наиболее удаленном положении от конца ножа (рис. 4). После подстановки в уравнение (4) значения сил, получим:

(6)

где – угловая скорость ножа, с-1; f – коэффициент трения; N – нормальная сила, действующая со стороны ножа на стебель, Н; t – время поворота ножа, с; – расстояние от оси вращения, определяющие положение стебля на ноже.

Произведя преобразования уравнения (6), получили зависимость для определения радиуса начального положения центра тяжести стебля на ноже:

(7)

Для ножей, вращающихся в горизонтальной плоскости сила тяжести стебля Р (рис. 3) будет действовать в плоскости перпендикулярной осям Х1В и Z1В. Тогда выражение (7) будет иметь вид:

. (8)

В процессе разделения глубину входа каждого ножа в льноворох можно представить выражением:

, (9)

где – угол установки ножа, град.

Произведя преобразования получим зависимость для определения скорости подачи льновороха к ножам:

, (10)

где nН – частота вращения рабочего органа, с-1; К – число ножей. Используя выражение (10), построена зависимость скорости подачи льновороха от частоты вращения рабочего органа (рис. 5).

В третьем разделе «Исследование процесса разделение насыпи льновороха» изложены программы и разработаны методики проведения исследований по разделению стеблей льна и насыпи льновороха рабочим органом.

Экспериментальные исследования проводились на основе общепринятых методик в соответствии с существующими государственными и отраслевыми стандартами и частных методик, разработанных автором.

Проектирование рабочих органов устройства для разделения насыпи льновороха затрудняется недостаточностью изученностью процесса разделения стеблей льна, поэтому были проведены поисковые исследования, которые проводились на лабораторной установке коперного типа. Стебли льна подвергались воздействию лезвия и определялось остаточное разрывное усилие Fост на динамометре, изготовленным специально для разрыва стеблей льна.

В результате поисковых исследований определено, что разделение стеблей льна происходит при скорости ножа 4…5 м/с. Это позволило в дальнейшем определить диапазон частоты вращения рабочего органа 161…257 мин-1 для исследований по разделению насыпи льновороха, которые проводили на лабораторной установке (рис. 6).

Льноворох загружали в бункер 1. Корпус 9 движется по окружности равномерно, с постоянной угловой скоростью и направляет вращающиеся рабочий орган 4 к льновороху 2. Ножи 5 рабочего органа, разделяют и вычесывают ворох из общей массы.

В результате поисковых исследований и априорного ранжирования выделены факторы, оказывающие наибольшее влияние на выходной параметр: частота вращения ножей n; скорость подачи льновороха к ножам В; тип рабочего органа (рис. 7); влажность W, засоренность З и плотность

льновороха.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» выполнена обработка экспериментальных данных, получены математические модели разделение насыпи льновороха и проведен их анализ.

Обработка полученных экспериментальных данных проводилась методами математической статистики на ПК в приложениях Statgraphics for Windows 3.0 и Statistica 6.0. Получены математические модели, описывающие:

  • изменение остаточного разрывного усилия в зависимости от скорости ножа, влажности и диаметра стеблей льна:

Fост = 30,279 – 0,013Wс + 4,23d + 25,22Н – 0,1Wd –

0,243WН + 2,388dН – 0,01W2 – d2 – 5,662Н. (11)

где Fост – остаточное разрывное усилие, которое необходимо приложить к стеблю льна для его окончательного разделения после воздействия ножа, Н; Wс – влажность стебля льна, %; d – диаметр стебля льна мм; Н скорость ножа м/с.

  • разделение насыпи льновороха рабочим органом в зависимости от его режимов и параметров:

Э = 2754,4–1,01n–12172,9В +2,27L+77,26nВ +26В L+0,0008L2, (12)

где Э – энергоемкость, кВт/кгм3; n – частота вращения ножей, мин-1; В – скорость подачи вороха к ножам, м/с; L – длина лезвий ножей на диске.

  • разделение насыпи льновороха в зависимости от его физико-механических свойств:

Э = 4796,37+2,2W–30,17+0,14W–2,22З2+110,93З+0,092, (13)

где W – влажность льновороха; – плотность насыпи; З - засоренность льновороха.

На основании уравнений регрессии были построены поверхности отклика. Для упрощения анализа данных графические зависимости построены при стабилизации факторов.

На основе анализа зависимостей представленных на рисунке 8 можно заключить, что с увеличением влажности и диаметра стеблей льна Fост увеличивается. Это объясняется увеличением усилия на резания стеблей. Увеличение скорости ножа приводит к возрастанию усилия с которым нож воздействует на стебли льна и остаточное разрывное усилие уменьшается.

На основе проведенного анализа зависимости (рис. 9) установлено, что наименьшая энергоемкость разделения насыпи льновороха соответствует наименьшей скорости подачи льновороха к ножам. Увеличение энергоемкости от В связано с повышением нагрузки на ножи. Из зависимостей (рис. 10) (рис. 11) видно, что при увеличении длины лезвия ножей на диске энергоемкость резко увеличивается. В качестве одной из причин можно выделить, что при увеличении L возрастает скользящее резание, уменьшается масса отделенного вороха от общей насыпи, энергоемкость возрастает. Увеличение L приводит к возрастанию площади контакта ножей со стеблями, что повышает затраты мощности на привод диска с ножами.

Зависимость энергоемкости от влияния n и В для исследуемых типов ножей представлены на рисунке 12. Из анализа зависимостей следует, энергоемкость при увеличении В для различных типов рабочих органов изменяется прямолинейно. Из графика видно, частота вращения не оказывает существенного влияния на энергоемкость разделения льновороха.

На основе полученной математической модели (12) при обработке на ПК в программе Microsoft Excel приложении «Поиск решения» были получены рациональные параметры рабочего органа для разделения льновороха:

  • частота вращения ножей 257 мин-1;
  • скорость подачи льновороха к ножам 0,023 м/с;
  • зубовой тип ножа (рис.6).

По результатам исследований влияния физико-механических свойств льновороха на энергоемкость разделения его рабочим органом с рациональными параметрами построены поверхности отклика. С увеличением плотности льновороха в насыпи энергоемкость разделения льновороха резко увеличивается (рис. 13) (рис. 14), возрастает количество стеблей подвергаемых разделению ножом, снижается масса вороха, отделенная от общей насыпи.

С увеличением влажности (рис.15), энергоемкость разделения льновороха возрастает. Это объясняется увеличением усилие на резания более влажных стеблей льна.

Анализируя зависимость на рисунке 15 можно сделать вывод, что с увеличением засоренности энергоемкость разделения насыпи снижается. Это объясняется снижением усилия резания вороха. Стебли сорняков составляющие основную часть примесей в льноворохе имеют меньшее усилие резания по сравнению со стеблями льна. Поэтому снижается общее усилие резание, которое влияет на затрачиваемую мощность.

В пятом разделе «Расчет параметров устройства для разделения насыпи льновороха и обоснование его экономической эффективности» разработана схема устройства для разделения льновороха и обоснована его экономическая эффективность.

Льноворох, поступающий на сушильный пункт, загружается на приемный транспортер 8, подающий его к устройству для разделения насыпи 1 (рис. 16). Вращающиеся, ножи 4 проникают в льноворох 10 и разделяют путанину и вычесывая ворох из общей массы. В направлении насыпи льновороха, нож имеет максимальный вылет, а поворачиваясь, уходит в защитный корпус 5. Отделенный ножами льноворох поступает на транспортер 9, загрузчика, подающий его на предварительную сепарацию или в сушильную камеру

Разработана методика (рис. 17), позволяющий определить затраты энергии на разделение насыпи льновороха в зависимости от посевных площадей льна-долгунца, наличия льнокомбайнов и интенсивности поступления вороха на сушильный пункт.

Производительность устройства для разделения насыпи льновороха определяли исходя из пропускной способности. Использование устройства для разделения насыпи льновороха позволит повысить производительность загрузчика сушильной камеры на 25%. Определены показатели экономической эффективности процесса разделения насыпи льновороха перед загрузочным устройством сушильного пункта. Годовой экономический эффект составляет 487,8 руб/га.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

  1. Существующие загрузочные устройства не обеспечивают равномерную подачу льновороха на предварительную сепарацию или в сушильную камеру, что приводит к снижению посевных качество семян.
  2. В результате исследований определено, что стебли льна подвергаются полному разделению ножом со скоростью Н=4…5 м/с и подтвердились предпосылки о возможности использования диска с ножами в качестве рабочего органа для разделения насыпи льновороха.
  3. Теоретическими исследованиями установлено: длина лезвия ножа L=181…254мм; скорость подачи льновороха к ножам В = 0,023…0,07 м/с.
  4. Для разделения насыпи льновороха необходимо использовать зубовой диск (рис. 7) с рациональными режимами: частота вращения n=257 мин-1; скорость подачи льновороха к дискуВ=0,023 м/с.
  5. Разработана математическая модель процесса разделения насыпи льновороха (13), позволяющая определить параметры и режимы зубового диска в зависимости от плотности, влажности и засоренности вороха.
  6. Разработана методика для определения затрат энергии привода устройства разделения насыпи льновороха перед подачей на сепаратор или в сушильную камеру.
  7. Использование устройства для разделения насыпи льновороха перед сепаратором или сушильной камеры позволит повысить производительность загрузочного устройства на 25%. Годовой экономический эффект составляет 487,8 руб/га.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

  1. Катченков С.А., Максимов К.В., Сотченков А.В. Исследование значимости факторов, влияющих на сепарацию льновороха цилиндрическим решетом// Агропромышленный комплекс: состояния и перспективы развития: Сб. науч. тр. – Великие Луки, 2005. – С. 145–148.
  2. Катченков С.А., Максимов К.В., Сотченков А.В. Анализ обеспеченности хозяйств Псковской области льноуборочной техникой // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: Сб. науч. тр. СПбГАУ – Санкт Петербург, 2006. – С. 72–75.
  3. Катченков С.А., Максимов К.В., Сотченков А.В. Исследование процесса разделения стеблей льна. // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: Сб. науч. тр. СПбГАУ – Санкт Петербург, 2006. – С. 76–79.
  4. Сотченков А.В., Катченков С.А., Максимов К.В. Анализ загрузочных устройств для сушилок льновороха // Материалы научно-практической конференции «Инновации молодых ученых – развитию АПК России», 23 – 24 марта 2006 г. – Великие Луки, 2006. – С. 167–170.
  5. Сотченков А.В., Катченков С.А., Быченков С.В. Исследование влияния параметров роторного устройства на размер паза, образованного в льноворохе после прохода ножей. // Материалы II научно-практической конференции «Роль молодых ученых в развитии науки» – Великие Луки, 2007. – С. 223–225.
  6. Сотченков А.В., Катченков С.А., Быченков С.В. Определение кинематических параметров для разрушения насыпи льновороха при подготовке к сушке. // Материалы II научно-практической конференции «Роль молодых ученых в развитии науки» – Великие Луки, 2007. – С. 225–227.
  7. Катченков С.А., Сотченков А.В. Роторное устройство для разрушения насыпи льновороха // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2007. –– № 8. – С. 19–20.


 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.