Параметры процесса выгрузки туковых смесей из бункеров сельскохозяйственных машин в условиях их фрикционной сегрегации и сводообразования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Корнеев, Дмитрий Витальевич

• Корнеев, Дмитрий Витальевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Корнеев, Дмитрий Витальевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1.0 некоторых аспектах приготовления однородных туковых смесей и основных соотношениях их компонентов

1.2. Анализ исследований процесса истечения сыпучих тел и их смесей из бункеров

1.3. Краткий анализ технических средств для предотвращения для предотвращения сегрегации туковых смесей и явления их сводообразования в бункерах сельскохозяйственных машин

1.4. Выводы по главе и задачи исследований

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ СМЕСИ В БУНКЕРЕ

2.1. Обоснование механической модели гранулированной туковой смеси, находящейся в граничных условиях

2.2. Движение в бункере гранулированной сыпучей смеси как стохастический процесс «возникновения» и «разрушения» динамических сводов

2.2.1. Общее понятие о движении сыпучего тела в граничных условиях

2.2.2. Неустановившийся режим движения сыпучей смеси в полости бункера. «Диффузионная» сегрегация сыпучей смеси

2.2.3. Установившийся режим движения сыпучей смеси в полости бункера. Расслоение смеси по линиям скольжения частиц ее компонентов

2.2.4. Сегрегация туковых смесей в условиях их динамического сводообразования

2.3. Частотные характеристики эквивалентного динамического свода и их роль в приготовлении гранулированной туковой смеси в бункере

2.4. Выводы по главе

3. ОБЩАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований

3.2. Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований

3.3. Методика определения наиболее значимых факторов, влияющих на расслоение смесей при их истечении из бункеров

3.4. Методика планирования экстремального эксперимента

3.5. Методика определения зоны максимальной интенсивности расслоения смеси при ее истечении из бункеров

3.6. Методика экспериментальных исследований эффективности технических средств для снижения расслоения смесей минеральных удобрений

3.7. Методика обработки экспериментальных данных

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Физико-механические свойства гранулированных туков и их смесей

4.2. Результаты оценки однородности туковых смесей, истекающих из бункера НРУ-0,5 (МВУ-0,5)

4.3. О факторах, влияющих на расслоение смесей при их истечении из бункеров

4.4. Проверка адекватности модельной и реальной смесей

4.5. Описание поверхностей откликов функций многофакторного эксперимента

4.6. Определение зоны максимальной интенсивности расслоения смесей при их истечении из бункеров

4.7. Проверка эффективности технических средств, снижающих расслоение смесей

4.7.1. Устройство с активным приводом

4.7.2. Устройство с упругими элементами

4.8. Графо-аналитический метод определения относительного коэффициента расслоения туковой смеси

4.9. Выводы по главе

5. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ СЕГРЕГАЦИИ ТУКОВЫХ СМЕСЕЙ

ПРИ ИХ ИСТЕЧЕНИИ ИЗ БУНКЕРОВ

5.1. Методика и алгоритм расчета основных параметров и режимов работы технических средств, снижающих расслоение туковых смесей

5.2. Расчет технических средств, снижающих расслоение смесей

5.2.1. Устройство с активным приводом

5.2.2. Устройство с упругими элементами

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ СЕГРЕГАЦИИ ТУКОВЫХ СМЕСЕЙ В БУНКЕРАХ

6.1. Общие положения

6.2. Характеристики хозяйства

6.3. Методика расчета экономической эффективности 133 6.4 Показатели экономической эффективности технических средств

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметры процесса выгрузки туковых смесей из бункеров сельскохозяйственных машин в условиях их фрикционной сегрегации и сводообразования»

Повышение урожайности сельскохозяйственных культур напрямую зависит от обеспечения почв питательными элементами. В связи с тем, что большинство сельскохозяйственных культур требуют одновременного внесения двух и более питательных элементов, то применение смесей минеральных удобрений является актуальным.

Исследованиями [31,129] установлено, что при использовании смесей удобрений наблюдается их расслоение на всех этапах технологического процесса, в том числе и в бункерах машин для внесения удобрений. Последние, как правило, являются одним из основных рабочих органов[40,98]. Они обладают рядом положительных свойств:

- просты по конструкции;

- надежны в эксплуатации;

- могут сочетаться с любыми механизмами непрерывного и периодического действия [20,52].

Однако, бункеры имеют и серьезные недостатки, приводящие к резкому ухудшению их работы. Одним из таких недостатков является выдача неоднородной по составу компонентов смеси, в частности, смеси минеральных удобрений, что, например, при работе туковысевающих аппаратов отрицательно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур [8,11,39,73,123]. Обусловлено это возникающим в бункерах явлением расслоения (сегрегации) смеси на компоненты в процессе ее движения в полости бункера.

Поэтому изучение явления расслоения смесей в бункерах с целью его предотвращения есть важнейшая задача, с одной стороны - качественное приготовление туковых смесей, а с другой - получение высоких и надежных урожаев сельскохозяйственных культур.

Одной из причин некачественной выдачи смеси бункерами сельскохозяйственных машин является то, что при их приготовлении не учитывается особенность движения компонентов смеси, то есть, не учитывается возможность их сегрегации (расслоения). До настоящего времени этот вопрос изучен недостаточно. Отсутствует четкое представление о закономерностях расслоения смесей, истекающих из бункеров сельскохозяйственных машин. Объясняется это тем, что в большинстве работ [14,35], посвященных изучению движения сыпучих тел в бункерах, рассматривается, как правило, однородный сыпучий материал, а не их смеси.

В связи с изложенным, изучение движения туковых смесей в бункерах сельскохозяйственных машин и установок является актуальным, как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Актуальность постановки и решения этой задачи еще более очевидна в настоящее время, когда наметилась тенденция в создании высокопроизводительной сельскохозяйственной техники, включающей сложные бункерные устройства, оборудованные автоматическими и автоматизированными системами управления и регулирования. Кроме того, решение этой задачи ускорит внедрение в производство технологии и технических средств для координатного дифференцированного внесения минеральных удобрений.

Цель исследования - определение основных закономерностей движения компонентов минеральных удобрений в полостях бункеров сельскохозяйственных машин и разработка технических средств для снижения их расслоения.

Объект исследования - процесс движения туковых смесей в полостях бункеров сельскохозяйственных машин.

Предмет исследования - установление взаимосвязей между факторами, влияющими на процесс движения туковых смесей в бункерах сельскохозяйственных машин.

Методы исследования включали аналитическое описание движения частиц компонентов смеси сыпучих тел в полостях бункеров с использованием основных положений теоретической механики, механики сыпучих тел, физики, методов математической статистики, планирования экспериментов, покадровой съемки, стандартных и вновь разработанных методик.

Научная новизна работы состоит в определении аналитических зависимостей, позволяющих описать влияние фрикционных свойств компонентов туковой смеси на ее расслоение, выбрать коэффициент расслоения туковой смеси и определить зоны в бункере наибольшей интенсивности ее расслоения при истечении из бункера.

Практическая значимость работы состоит в разработке технического средства для снижения расслоения туковой смеси при ее истечении из бункера.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- обоснование механической модели гранулированной туковой смеси и ее основных допущений;

- аналитические зависимости, описывающие влияние фрикционных свойств компонентов на движение гранулированных туковых смесей при их истечении из бункеров;

- критерий оценки степени сегрегации гранулированных туковых смесей;

- техническое средство, снижающее сегрегацию смесей гранулированных минеральных удобрений и обоснование его параметров;

- методика инженерного расчета технического средства для снижения расслоения гранулированных туковых смесей при их движении в бункере.

Диссертационная работа выполнена в Ростовском институте повышения квалификации кадров в АПК в соответствии с планом НИР института.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Корнеев, Дмитрий Витальевич

1.4. Выводы по главе и задачи исследований

Анализ работ [9, 10, 14, 20, 23, 34, 35, 37, 53, 75, 99, 100, 103, 129 и др.] показал, что расслоение гранулированных смесей при их истечении из бункерных устройств исследовано недостаточно. Многие авторы лишь косвенно касаются этого вопроса, глубоко не рассматривая его. Поэтому, этот вопрос требует дальнейшего тщательного и внимательного изучения.

Обзор литературных источников и патентов на изобретения позволяет принять гипотезу о том, что интенсивность расслоения смесей минеральных удобрений, истекающих из бункеров, может быть снижена путем использования устройств, параметры и режимы работы которых соответствуют физико-механическим свойствам смесей, находящихся в бункерах.

В связи с этим, в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Обосновать механическую модель гранулированной туковой смеси, раскрывающей физическую сущность ее сегрегации, а также учитывающую сводоразрушающий характер ее истечения из выпускных отверстий бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений.

2. Разработать теоретические предпосылки процесса выгрузки гранулированных туковых смесей из бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений в условиях их сегрегации и динамического сводообразования.

3. Разработать методику инженерного расчета технических средств, снижающих влияние явлений сегрегации и сводообразования компонентов туковой смеси в процессе ее выгрузки из бункеров сельскохозяйственных машин для внесения минеральных удобрений.

При решении этих задач использовалась следующая схема последовательности исследований (рис. 1.9)

ТЕМА

Параметры процесса вьп туковых смесей из бункер машин в условиях их фр сводообр грузки гранулированных ов сельскохозяйственных икционной сегрегации и азования

Анализ состояния вопроса

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Корнеев, Дмитрий Витальевич, 2007 год

1. Рабочая гипотеза исследований Задачи исследований Схема последовательности исследованийI

2. Обоснование модели сыпучей гранулированнойсмеси

3. Теоретические предпосылки процесса

4. Экспериментальные исследования

5. Однофакторный эксперимент Многофакторный экспериментисследований

6. Методика инженерного расчета технического средства1.~

7. Экономическая эффективность внедрения в с.-х. производство технического средства

8. Общие выводы диссертационной работы

9. Рисунок 1.9 Схема последовательности исследования процесса

10. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ СМЕСИ В БУНКЕРЕ

11. Обоснование механической модели гранулированной туковой смеси, находящейся в граничных условиях

12. Сегрегация сыпучих смесей это явление их расслоения на отдельные компоненты, отличные по своим физико-механическим свойствам.

13. В настоящей работе исследуются сыпучие гранулированные туковые смеси, компоненты которых отличаются друг от друга только фрикционными свойствами.

14. В соответствии с изложенным, дадим обоснование допущений для дискретного сыпучего тела, которые в своей совокупности составят представление о механической модели гранулированной туковой смеси.

15. Однако, сыпучее тело не лишено и некоторых свойств, характерных для сплошных связных сред, в частности, жидкостей. Оно может течь подобно жидкости, оказывать давление на дно и стенки сосудов, в которые заключено, принимать форму последних 37.

16. Модель характеризуется следующими допущениями:

17. В процессе движения шары компонентов смеси не вращаются 20. Поворот отдельных частиц возможен лишь за счет случайных обстоятельств.

18. В процессе движения плотность смеси не изменяется 20. В состоянии покоя она стремится к утах, а при движении к .

19. Угол укладки шаров смеси сохраняется постоянным и в процессе ее движения при всех возможных перемещениях шаровых частиц смеси в объеме бункера 20.

20. Угол естественного откоса равен приведенному углу внутреннего трения частиц (шаров) сыпучего тела 20. Коэффициенты трения шаров компонентов смеси различны.

21. Данная модель дополнена следующим допущением:

22. В процессе движения смесей удобрений в бункере химическое взаимодействие между компонентами не происходит. Это позволяет рассматривать смесь как частицы с исходными физико-механическими и гранулометрическими характеристиками.

23. Таким образом, указанная модель сыпучего тела достаточно полно отражает реальные свойства смесей сыпучих тел. Это дает возможность исследовать их расслоение на отдельные компоненты при движении в объеме бункера.

24. Основываясь на принятой модели сыпучей смеси, рассмотрим процесс ее движения в граничных условиях (в полости бункера).

25. Движение в бункере гранулированной сыпучей смеси как стохастический процесс «возникновения» и «разрушения» динамических сводов22.1. Общее понятие о движении сыпучего тела в граничных условиях

26. Для объяснения картины этого движения воспользуемся теорией сво-дообразования сыпучих тел в сужающихся бункерах профессора Богомягких В.А. 20.

27. Р2{А{) = 0(А1); />з(А/) = 0(А/); .; Рщ (Д/) = 0(Д/);в) вероятность Рк{&) разрушения А" неустойчивых сводов за промежуток времени не зависит от чередования разрушения неустойчивых сводов до момента 10.

28. Изменения состояния Вероятность перехода

29. Дифференциальные уравнения этого состояния запишутся в следующем виде:щ-а'-Ьх- (л, 2)а' • А? = 2а' • А/щ-а'-ЬХ- (п( п1 )а' • & = п^' • А?

30. Р, (* М) = /> (/XI" ) + Рм (*)«'(/+1)АГ + 0(А!); Р0(/ + М) = Р0(/)! + Рх + 0(М); / > 1.1. Преобразовав их, получим:= -аЩ{1)+а\и\)Р1М / > 1;ш

31. Решим методом производящих функций.со1. Положим Ф(г, 0 = 2^/ У •о1. Заметим, что¿о Л 2 'с^ /=0 ^ «=0то есть,/=0

32. Умножив обе части на г' и просуммировав по / от 0 до оо, получим1. Л = -«¿,/>((у ,1=0 /=0 1=0илиа v ; &

33. Полученное дифференциальное уравнение в частных производных решаем методом Лагранжа.

34. Соответствующее уравнение Лагранжа имеет вид:сс'{г-\)'1. Его решениеа а1. Потенцируя, получим:11. с,1. Откуда1. Сх=(г-\Уа''и1. ФМ^МУ»'').

35. Так как при I О в бункере имеется п1 неустойчивых сводов, то2 '1. Ф(г,о)=Х/>(оуоибо все значения Р,(о) = 0, Рп1 (о) = 1.1. Тогда г"х =q{z-\).

36. Положив 2-Х = у, ч{у) = (1 + ^)"'•

37. При произвольном значении / аргументом функции д является выражение Поэтому в правой части последнего уравнения необходимо, заменить у на значение этого аргумента.1. Получим1. Тогда

38. Ф(z,t)=(l + (z-l)e-a'')n,.

39. Это выражение производящая функция числа разрушающихся неустойчивых сводов в произвольный момент времени при неустановившемся режиме истечения сыпучего тела из выпускного отверстия бункера.

40. Решая ее с позиций теории вероятностей 27., получим

41. Вероятность разрушения всех имеющихся в бункере неустойчивых сводов за промежуток времени / при неустановившемся режиме истечения определится по формуле:

42. Время неустановившегося режима истечения находится из условия Р0 (/) = 1 (вероятность разрушения всех неустойчивых сводов в бункере при неустановившемся истечении равна единице)или

43. Если положить, что количество неустойчивых сводов я, в бункере равно Нб1/ср>™где Нб и / соответственно, высота столба сыпучего тела в бункере и

44. Действительно, частица с большим у/ имеет большую площадь шероховатости и, следовательно, большее вероятное число ее столкновений л, с «препятствием», имеющим, например, площадь АБ, то есть, для двух частиц смеси с разными у/с сили и.>л7.

45. Если предположить, что время «стояния» этих частиц при разовом их столкновении с «препятствием» одинаково и равно Дг, то при щ и п2 их столкновенияхи, • А? > и2 • А?.

46. Диффузионная» сегрегация частиц смесей мало изучена. Она, как правило, наблюдается в момент открытия выпускного отверстия бункера, то есть, при неустановившемся режиме истечения смеси, а также при колебаниях бункера с закрытым выпускным отверстием.

47. Рисунок 2.1 Кадры скоростной киносъемки начала истечения из бункера туковой смеси (суперфосфат + селитра), 1:1) (Из работы профессора В.А. Богомягких и В.Г. Ялтанцева 21.)

48. Как показала скоростная киносъемка (рис. 2.1.), «диффузионная» сегрегация смеси подчиняется стохастическому интегралу Ито 69.

49. Положив в первом приближении /(«,) = к-пп где к = а ^равно значению из формулы (2.1), получимм(/(«,0)=кл3 п,1п1 + ехр 6пи•1пс