CC BY
26
УДК 631.333
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАШИН ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ВНЕСЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
Ю. Е. Елизаров, аспирант; С. И. Щербаков, канд. техн. наук, профессор;
Г. И. Личман, доктор техн. наук*
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (412) 628-579;
*ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, т. 8 (945) 171-38-96
В системе точного земледелия важное значение имеет дифференцированное внесение твердых органических удобрений. Машины для дифференцированного внесения твердых органических удобрений с изменяемой шириной захвата позволяют повысить качество распределения удобрений по полю. Излагается методика расчета параметров рабочих органов машины для обеспечения необходимой ширины захвата.
Ключевые слова: твёрдые органические удобрения, дифференцированное внесение, доза, ширина захвата.
В отрасли растениеводства на возделывание различных культур затрачивается большое количество средств. Наравне с такими технологическими операциями, как вспашка, культивация, сев, уборка урожая, внесение удобрений (минеральных и органических) является дорогостоящей операцией. Минеральные удобрения стали недоступны многим предприятиям из-за их высокой стоимости, а внесение органических удобрений -трудоемкая операция, требующая использования большого количества сельскохозяйственной техники и, естественно, топливосмазочных материалов, цены на которые растут в несколько раз быстрее, чем на продукцию растениеводства. Стоимость сельскохозяйственной продукции настолько мала, что по итогам ее реализации хозяйства становятся убыточными, поэтому научные и хозяйственные учреждения сегодня находятся в поиске ресурсосберегающих технологий производства сельскохозяйственной продукции с целью снижения её себестоимости.
В настоящее время ученые пришли к выводу, что эффективному производству может помочь только новая стратегия землепользования - точное (координатное) земледелие.
Точное земледелие - совокупность технологий, технических средств и систем принятия решений, направленных на управление параметрами плодородия, влияющими на рост растений при минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду.
Новый способ землепользования предъявляет требования к качеству работ и технике. В связи с этим возникает необходимость в разработке новых и модернизации уже существующих машин. При этом возникает необходимость в обосновании рабочих параметров машин для дифференцированного внесения твердых органиче-скихудобрений.
Назначение подающего барабана - измельчать удобрения и равномерно подавать их на распределяющий орган. Лопасти подающего барабана совершают вращательное движение вокруг своей оси, а удобрения поступательно движутся навстречу. При взаимодействии с удобрениями лопасть при выходе из них отрывает порцию. Порция удобрений, вращаясь вместе с лопастью в воздушном пространстве, скользит по ней и, достигнув конца лопасти, отрывается от нее, получая некоторую начальную скорость. Отрыву порции от общей массы препятствует сила сопротивления удобрений отрыву, обусловленная прочностью массы на разрыв. При скольжении порции по лопасти на нее действуют силы тяжести m-g, центробежная сила m r-ю2, сила Кориолиса 2-mwvn силы трения от составляющей силы тяжести mg siny и силы Кориолиса 2-mmvrf (рис. 1). Условие сброса порции удобрений лопастью нижнего барабана таково:
m ■ g ■ cosy + m ■ r -ю2 >
. (1 )
> f (m ■ g ■ siny + 2■ m -ю-vr)
m9
2mb,'
Рис. 1. Схема действия сил на лопасть подающего барабана
Нива Поволжья № 3 (16) август 2010 59
Рис. 2. Схема взаимодействия подающего барабана и удобрений
Вылет частиц начинается при выходе лопасти из удобрений и заканчивается после поворота ее на угол, определяемый временем движения порции по лопасти до момента ее полного схода. Общий угол поворота лопасти е складывается из угла поворота в массе удобрений е0 и угла юТ: е0 + юТ. е0 можно найти из выражения
I
(2)
где 1к - длина дуги контакта лопасти с удобрениями, м;
4 — 2-УІr2 - (r - Sz )2 ,
(З)
где Б - глубина захода лопасти в массу удобрений, м.
Углы вылета частиц в начале и конце схода удобрений с лопасти неодинаковы:
«он — 90" -(-0- +ун),
а0к — 90 - (f + тТ-^к ) .
(4)
(5)
Абсолютная скорость вылета частиц удобрений, м/с:
— ф
(б)
где уг и уг - радиальная и нормальная составляющие скорости, м/с.
Для определения радиальной составляющей скорости вылета частиц v используем дифференциальное уравнение движения частиц по радиально установленной лопасти горизонтально расположенного барабана:
(7)
- с ■ sin юТ - d1 ■ cos юТ, где аь Ь\, сь d\ - постоянные коэффициенты.
а! — g -
hi— g ■
с —
2-af2-Л2(! + f2) ; 2-®2(i + fDd,-\) ;
Яі(! + f2)-2-rn-f2 ; 2-rn2(i + fi)(^-\) '
f-g .
1 m(i + f2)’
g
d, —
2-a1
(В)
(9)
(10)
(11)
Составляющую скорости чг находят в момент начала и окончания вылета частиц, беря производную по времени от уравнения движения. Окружную скорость определяют из условия уе = 2- п-ю -г, а угол ц расположения вектора абсолютной скорости вылета частиц из соотношения
v
tg V — — . v
(12)
r
во Технические науки
Важное влияние на равномерность разбрасывания удобрений и на ширину захвата машины оказывает угол установки верхнего барабана.
Так как углы вылета неодинаковы, то частицы удобрений, вылетающие в каждый момент времени, имеют различные траектории (рис. 2), следы которых в плоскости xoy можно представить в виде веера с разностью по оси ординат между началом и концом вылета Ay — ун - ук.
Из рисунка следует, что своего максимума (минимума) координата Х расположения оси верхнего барабана относительно оси нижнего достигает при расположении барабанов в горизонтальной (вертикальной) плоскости. Таким образом, угол расположения верхнего барабана определяется из условия tg аб — — (аб - угол уста-
xi
новки верхнего барабана).
В соответствии с рисунком
x. — xA - x’ ; у. — yA - у
і д.н. н ’ у i у д.н. у н
или
x. — xA - x’ ; у. — уА - у .
i д.к. к i д.к. к
Значения xH, ун, xK, ук определяют из
выражений
xH — r- cos■ — r- cos [900 -(а0н + ц/)] ; (1З)
+ тТj — r- cos [900 - (а0к + ®)\ ; (14)
x„ — r- cos
y„ = r ■ smy = r ■sin[90° -(ao« + ^)] ; (15)
yK = r^sin{-у + юТj = r^sin[900 -{а0к + ®)] . (16)
Сопротивление воздушной среды полету частиц удобрений принимают обычно пропорциональным второй степени скорости их перемещения. При расчетах координат расположения частиц на траектории полета можно использовать один из приближенных методов расчета движения тел в сопротивляющейся среде, по которому дальность Ха, м, полета частиц удобрений, высоту уа, м, расположения частиц и продолжительность Тв, с, восходящего движения определяют из следующих выражений:
хд = — ■a■ ln(k ■a■v0■cos аб +1) ; (17)
kx
уд = — •a■ [ln(os (8-^ky-a^cT) /cos 8 ;(18)
T —
8
Ж
a-c ,
і a п где kx— in tg \ +4
(19)
(20)
a — c -S -р-s--G ;
x М • 2
ky —
1/ cos аб -1 ;
tg аб - аб
(2З)
8 — arctg Jk ■ v0 - sin—— ;
(24)
сх - коэффициент лобового сопротивления;
Бм - миделево сечение, м ; рв - плотность воздуха, кг/м ;
О - вес частицы удобрений, Н.
После нахождения координат и соответствующих преобразований угол установки верхнего барабана можно рассчитать по условиям начала и конца вылета:
tg аб.н. —
Ун + r-sin [900 - (а0н - ц) - rT ] - АУ ;
^ - r-cos [90° -(а0н -Ц\
; (25)
у к + г- эт [90° -(а0к -^)- гт ] (2б)
8 абк- = --------■ [900 (------) , (26)
Хк - Г' ЯІП |_90 \а0к -^)\
где хдн, ун, хк, ук - координаты расположения частиц на траектории для начала и конца их вылета с лопасти, м; гТ - радиус трубы барабана, м.
Таким образом, для равномерного распределения удобрений по поверхности поля должны быть правильно выбраны угол установки верхнего барабана и высота витка шнека. В свою очередь, координаты расположения частиц на траектории зависят от параметров и кинематических режимов нижнего барабана.
Для увеличения дальности полета частиц удобрений во многих машинах нашли применение шнековые барабаны. Шнековую навивку таких барабанов, как правило, выполняют в виде прямого геликоида (образующая винтовая поверхность перпендикулярна оси шнека). При взаимодействии удобрений с витками шнека частицы отбрасываются в направлении нормали к витку шнека. На рисунке 3 эти направления обозначены прямыми N ^, N2 N2. Угол отбрасывания частиц для заданного радиуса витка постоянный (на рисунке а! или а2). Угол и скорость вылета определяют из выражений:
t
аш— arctg-- с>ш; п
&N — 1ш -an- cos аш ,
(27)
(2В)
где ш - шаг шнековой навивки, м;
Вш - диаметр шнековой навивки, м; а)р - частота вращения шнековой навивки, с-1.
В случае трения удобрений о витки шнека угол вылета частиц отклоняется от
У
Нива Поволжья № 3 (16) август 2010 61
нормали на угол трения ф, формула (28) примет вид:
cos а,.
$о = L юР-------- . (29)
cos —
Из представленных формул следует, что при постоянном шаге шнека угол вылета зависит от радиуса витка, а дальность рассеивания определяется участком шнека, взаимодействующим с удобрениями.
При движении частиц удобрений в воздушной среде на них действуют силы тяжести и сила сопротивления среды.
Рис. 3. Схема для определения направления и скорости вылета частиц удобрений
Скорость вылета частиц с верхних распределяющих барабанов, как правило, превышает 18 м/с, в связи с чем силу сопротивления воздушной среды при расчетах следует принимать пропорционально квадрату скорости перемещения частиц. Даль-
ность полета частиц удобрений (рис. 4), отбрасываемых крайними витками,
kx- - cos а0 С
arctg
ky -&j- sin а0
cos 8)
(30)
где Н0 - высота расположения барабана над поверхностью почвы, м.
ао = аш+ф. (31)
В случае применения машин для дифференцированного внесения твердых органических удобрений с изменяемым углом наклона будет происходить изменение высоты расположения верхнего барабана. Т. е. высота расположения верхнего барабана
Н0 = Н + ^\поб-1, (32)
где Н - расстояние от поверхности почвы до подающего барабана, м;
I - расстояние между осями подающего и распределяющего барабанов, м.
Проекция дальности полета частиц на ось, перпендикулярную направлению движения агрегата,
*' = Хтах-С08 “о . (33)
Общая ширина распределения
В0 — 2-Xmax - cos а0 + L6
(З4)
где Ьб - длина барабана, м.
При дифференцированном внесении твердых органических удобрений с применением машин с изменяемым углом наклона разбрасывающего барабана в формуле (30) высота расположения разбрасываю-
Рис. 4. Схема для расчета дальности полета частиц удобрений и ширины распределения
62 Технические науки
щего барабана над поверхностью поля И0 и скорость вылета частиц 50 будут изменяться в зависимости от вносимой дозы удобрений. При этом с помощью формулы (30) мы можем определить необходимые параметры угла наклона и угловой скорости распределяющего барабана. Это в свою очередь позволит обеспечить более высокую точность внесения удобрений.
Литература
1. Личман, Г. И. Механика и технологические процессы применения органических
удобрений: монография / Г. И. Личман, Н. М. Марченко. - М., 2001. - 335 с.
2. Личман, Г. И. Технологические и технические аспекты использования органических удобрений в системе точного земледелия // Материалы Всероссийской научно-практической конференции / ГНУ ВИМ. - М., 2008.
3. Марченко, Н. М. Механизация внесения органических удобрений/ Н. М. Марченко, Г. И. Личман, А. Е. Шебалкин. - М.: ВО «Агропромиздат», 1990. - 207 с.
УДК 631.363
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА МАТЕРИАЛА, ВЫХОДЯЩЕГО ИЗ БАРАБАННОГО ДОЗАТОРА-МЕТАТЕЛЯ
В. В. Коновалов, доктор техн. наук, профессор;
В. П. Терюшков, канд. техн., наук, доцент;
Л. В. Иноземцева*, канд. техн., наук, доцент
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» т. (8-412) 62-82-72; *ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова»
Приведена схема барабанного дозатора-метателя с плоскими отогнутыми лопастями. Теоретически определены траектория полета выходящего из дозатора-метателя потока корма, выражения для определения порозности и плотности потока в конкретном сечении. Приведены графические результаты компьютерного моделирования траектории потока, изменения его плотности и концентрации с увеличением расстояния от дозатора-метателя.
Ключевые слова: дозатор-метатель, траектория полета, поток корма, порозность потока, плотность.
Для повышения продуктивности животных корма, выдаваемые им по рациону, скармливают в виде кормовых смесей. Это позволяет при прочих равных условиях на 5...7 % увеличить объем получаемой от животных продукции. С целью предотвращения перерасхода кормов и соблюдения рациона кормления используют дозаторы [1]. Одной из перспективных конструкций дозирующих устройств являются барабанные лопастные дозаторы-метатели. Их применение позволяет приготавливать кормовые смеси без дополнительного перемешивания, соответственно не применяя дополнительные рабочие органы и экономя энергию на перемешивание компонентов смеси [2, 3].
В качестве примера подобного дозато-ра-метателя приведено устройство на рисунке 1. В процессе его работы каждая лопасть проходит через четыре зоны: I - зона загрузки; II - зона транспортировки; III -зона выгрузки; IV - зона транспортировки остатков; V - зона транспортировки корма у боковин дозатора. Материал, вышедший из дозатора через выгрузное отверстие 5 в
виде плоской щели, движется по инерции в виде распыленного потока 6.
Рис. 1. Схема барабанного дозатора-метателя:
1 - загрузное отверстие; 2 - лопасть барабана; 3 - вал привода лопастного барабана; 4 - корпус дозатора-метателя; 5 - выгрузное отверстие в виде щели
Нива Поволжья № 3 (16) август 2010 63
