А.И. Завражнов, В.В. Миронов, М.В. Криволапов

ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», г. Мичуринск, Россия

Разработанная в Мичуринском ГАУ машина для приготовления компостов предназначена для смешивания компонентов субстрата и периодического рыхления полученных компостных смесей [1]. Путем механической перебивки данная машина осуществляет перемешивание органического сырья и его аэрацию в технологиях ускоренного компостирования на открытых площадках в буртах.

Рабочий процесс машины включает операции: забор материала из бурта, его измельчение, перемешивание, рыхление и формирование нового бурта с заданными размерами.

За критерий оптимизации работы машины для приготовления компостов приняли энергоемкость, а за ограничения - условия взаимодействия барабанов машины с материалом и формирования бурта максимальной высоты. При разработке конструкции барабанов машины за основу приняты геометрические параметры рабочих органов прицепов-навозоразбрасывателей по причине их высокой теоретической и экспериментальной обоснованности. Угол наклона лопасти к оси барабана приняли ?=600, радиус барабана – rб=175мм, высоту лопасти – hл=95мм, ширину захвата лопасти барабана-измельчителя – bл=100мм, угол установки барабанов – ?б=450, форму лопастей приняли в виде сегментов пилообразной ленты.

Графики теоретических траекторий перемещения частиц при повороте лопасти на углы начала и окончания схода построены по уравнениям движения и представлены на рисунке 1 [2]. В реальных же условиях часть материала полетит назад в бурт и в боковые стороны от направления основного потока частиц. Отклонение от теоретических траекторий связано с обрушением бурта и наложением траекторий полета частиц между собой. В итоге материал перемещается от барабана к барабану по ходу движения машины в виде «кипящего» слоя с подъемом на некоторую высоту.

При увеличении угловой скорости барабана (рисунок 1) до значения ?Ymax=72,91с-1 сила инерции многократно превышает силу трения от силы Кориолиса и частицы материала перемещаются на максимальную высоту подъема. Дальнейшее увеличение угловой скорости приводит к росту силы трения, что вызывает снижение значения равнодействующей силы и, соответственно, снижение высоты подъема частиц. В случае, когда сила трения становится больше силы инерции, сход материала происходит в поддон или в противоположную сторону от требуемого направления.



Утах - наибольший подъем частиц; Ygepx/ YHm - высоты границ приема следующего барабана; oomin, Штах - рациональные пределы угловой скорости

Рисунок 1 - Зависимость высоты подъема частиц у от угловой скорости со барабана.

Установлены рациональные значения угловой скорости четырех нижних барабанов, которые лежат в пределах от a)m,n=29,4с-1 до a)rnax=52,7с-1, что обеспечивает попадание частиц соломонавозной смеси в зону приема следующего барабана от Униз=0,127м до Уверх=0,375м.

Оптимальное значение угловой скорости формирующего барабана-ускорителя составляет со5опт=73с1, что обеспечивает наибольший подъем частиц соломонавозной смеси на высоту Утэх=0,45м над уровнем горизонтальной оси пятого барабана. Так, для машины высотой 1,45м возможно формирование бурта соломонавозной смеси влажностью до 65% высотой до 1,7м.

Экспериментальные исследования, целью которых была проверка адекватности математической модели работы машины для приготовления компостов, проводились на лабораторной установке, имитирующей рабочий процесс, осуществляемый барабаном машины [3]. Согласно проведенному эксперименту расчетное значение G-критерия Кох-рена составило G = 0,251. Критическое (табличное) значение критерия Кохрена Gкр = 0,5612. Поскольку G<Gкр, гипотезу следует принять, т.е. можно сделать вывод об однородности дисперсий и, следовательно, о достаточной достоверности (воспроизводимости) эксперимента.

Критерий ?2 Пирсона (оценки распределений) составил ?2=11,029. Критическое значение ?2 критерия Пирсона соответствует уровню доверительной вероятности 0,95 и числу степеней свободы 3 %    = 14,067 . Поскольку^   < %ёд, то между наблюдаемым и ожидаемым теоретическим распределением с теми же параметрами нет значительных расхождений, поэтому гипотезу об адекватности математической модели энергоемкости машины реальному процессу принимаем с доверительной вероятностью 0,95.

В ходе исследования мощности производительности и энергоемкости работы машины получены следующие результаты.

Исследования проведены при следующих постоянных параметрах: угловые скорости четырех нижних барабанов min=?1-4=30с-1, угловая скорость формирующего барабана-ускорителя ?5=73с-1, влажность соломонавозной смеси w=60%. Общая потребляемая машиной мощность распределяется по барабанам неравномерно. Так, на первый барабан приходится до 47% общей приводной мощности, что связано с высокой энергоемкостью процесса отделения порции материала от бурта. На 2, 3 и 4 барабаны приходится по 6% общей потребляемой машиной мощности. На верхний барабан-ускоритель приходится 35% всей приводной мощности, что связано с увеличенной, относительно остальных барабанов, угловой скоростью.

Анализ распределения общей приводной мощности, приходящейся на первый барабан, показал, что на смятие и сдвиг соломонавозной смеси при отделении порции от бурта приходится до 84%. Тогда как 3% мощности расходуется на преодоление силы инерции барабана, менее 1% мощности необходимо на преодоление сопротивления силы тяжести на лопасти и 12% приходится на сход порции с лопасти.

Таким образом, возможно снизить энергоемкость машины для приготовления компостов путем уменьшения затрат мощности на отделение лопастью порции компостной смеси от бурта.

На энергоемкость отделения массы от бурта значительное влияние оказывают поступательная и угловая скорости барабана. Графическое изображение зависимости энергоемкости первого барабана от поступательной и угловой скорости представлено на рисунке 2.

Увеличение поступательной скорости при одной и той же угловой вызывает увеличение площади отделения соломонавозной смеси от бурта, что приводит к росту момента сопротивления в плоскости вращения лопасти. Энергоемкость увеличивается, так как рост потребляемой мощности опережает производительность. Так, при угловой скорости ?1=30с-1 увеличение поступательной скорости от 0,1 до 0,3м/с вызывает рост энергоемкости от 387 до 460Дж/кг. В связи с этим целесообразно выбрать рациональные значения скорости из соображений возможной агрегатируемости машины с колесными тракторами класса тяги 14кН без применения дополнительного нестандартного оборудования. Поэтому поступательную скорость машины следует принять Vагр=0,26м/с, т.е. значение скорости трактора класса тяги 14кН на первой передаче при включенном понижающем редукторе с гидроходоуменьшителем.

Рисунок 2 – Зависимость энергоемкости первого барабана от поступательной и угловой скорости.

Уменьшение угловой скорости ниже значений 46…46,7с-1 приводит к значительному снижению производительности барабана, что ведет к росту энергоемкости. Увеличение угловой скорости ведет к непропорциональному увеличению затрат потребляемой мощности по сравнению с увеличением производительности.

В результате анализа составляющих приводной мощности в зависимости от угловой скорости установлено, что при увеличении угловой скорости наиболее интенсивно увеличиваются затраты мощности на вылет частиц с лопастей. Так, увеличение угловой скорости от 20 до 80 с-1 приводит к росту затрат мощности на вылет частиц от 0,07 до 5,64 кВт/м длины барабана.

Затраты мощности на отделение материала от бурта Л/от при возрастании угловой скорости увеличиваются по закономерности близкой к прямолинейной, что вызвано увеличением длины циклоиды движения лопастей барабана в бурте, находящейся в прямой зависимости от угловой скорости барабана coi. Минимальное значение удельной мощности Л/от на рассматриваемом промежутке угловой скорости u>i от 20 до 80 с-1 составляет 1,19 кВт/м, а максимальное значение 2,34 кВт/м.

Мощность на преодоление сил инерции барабанов с возрастанием угловой скорости вращения увеличивается по кубической зависимости. Минимальное значение удельной мощности Л/ин на рассматриваемом промежутке угловой скорости coi от 20 до 80с-1 составляет 0,01кВт/м, а максимальное значение 0,48 кВт/м.

Мощность на преодоление сопротивления силы тяжести незначительно увеличивается, что связано с менее интенсивным уменьшением массы, перемещаемой лопастью за оборот, по отношению к резкому сокращению времени взаимодействия лопастей с буртом. Минимальное значение удельной мощности Л/вес на рассматриваемом промежутке угловой скорости а>1 от 20 до 80 с-1 составляет 0,01 кВт/м, а максимальное значение 0,02 кВт/м.

Минимальное значение энергоемкости работы первого барабана машины ?jm/n=373Дж/кг достигается при угловой скорости u)1опт=46,7с-1, поступательной скорости 1/Эф=0,26м/с и влажности соломонавозной смеси w=60%. Полученное значение угловой скорости барабана удовлетворяет условию взаимодействия барабанов: comin=29,4с-1 ? а>1-4 ?й>тэх=52,6с-1.

Соответственно, чтобы обеспечить оптимальную производительность машины, угловые скорости барабанов Б2-Б4 должны быть не ниже угловой скорости первого барабана, но не выше максимальной угловой скорости, т.е. й>^=46,7с-1?й>2-4?й>тэх=52,6с-1.

Энергоемкость машины в целом складывается из энергоемкости всех пяти барабанов и составляет Е=794Дж/кг. Производительность машины определяется удельной производительностью первого барабана и составляет <2=9,2кг/с на 1м длины барабана.

Таким образом, проведенные исследования позволили оптимизировать конструктивно-режимные параметры машины, что позволяет готовить смесь и формировать бурты высотой до 1,7м с энергоемкостью 794Дж/кг и производительностью 55…80т/ч.

Литература

1.    Пат. 2352093 Российская Федерация, МПК7 С05 А 3/06. Машина для приготовления компостов / Завражнов А.И., Бринтон В., Миронов В.В., Колдин М.С., Никитин П.С, Криволапов М.В., Абакумов Е.К.: заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Мичуринский ГАУ -№ 2007125746; заявл. 06.07.2007; опубл. 20.04.2009, Бюл.№11. - 6с; ил.
2.    Миронов, В.В. Анализ работы машины для приготовления компостов / Завражнов А.И., Миронов В.В., Криволапов М.В. // Техника в сельском хозяйстве: Научно-теоретический журнал, №1. - 2009 - С. 15-17.
3.    Криволапов, М.В. Экспериментальная лабораторная установка для исследования работы прицепного рыхлителя буртов / Миронов В.В., Абакумов Е.К., Криволапов М.В. // Материалы 60-й научной студенческой конференции: сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. 26 - 27 марта 2008. Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2008. - С. 82-84.


Источник - ВЕСТНИК МИЧГАУ, научно-производственный журнал, 2010, № 1,  Печатная версия.