Коршун Виктор Николаевич. Обоснование параметров роторных рабочих органов машин для измельчения опавших листьев : Коршун Віктор Миколайович. Обгрунтування параметрів роторних робочих органів машин для подрібнення опалого листя

Краткое описание

Коршун Виктор Николаевич. Обоснование параметров роторных рабочих органов машин для измельчения опавших листьев : ил РГБ ОД 61:85-5/1129

Содержание к диссертации

Введение
1.Состояние исслбщований и оптимального проектирования роторных измельчающих рабочих органов. постановка задачи исследований9
1.1. Краткий обзор конструкций роторных рабочих органов с шарнирноцрикрешгенными измельчающими элементами 9
1.2. Обзор исследований режимов функционирования измельчающих рабочих органов 15
1.3. Общий обзор исследований, посвященных оптимизации проектных параметров роторных рабочих органов 20
1.4. Постановка задачи исследований .22
2.Разработка теоретжо-эк(жрименталшой модели функциони рования рабочих органов с жрнирнопржрешшнныш измельчающий элементами24
2.1. Исходные предпосылки и обоснование необходимости разработки модели 24
2.2. Исследования колебаний шарнирноприкрепленных измельчающих элементов . 27
2.3. Нагрузки и нагруженность измельчающих элементов рабочего органа 41
2.4. Оценка нагрузок измельчения. Анализ теоретико-экспериментальных исследований 47
2.5. Теоретико-экспериментальная модель функционирования рабочего органа как инструмент научных исследований. Структура и место в САПР 62
Выводы 69
3.Методика и планирование эк(жриментальных исследований измельчакщих рабочих органов71
3.1. Методика экспериментальных исследований функционирования измельчавдих рабочих органов 71
3.2. Анализ размерностей 85
3.3. Планирование исследований 90
3.4. Методика исследований колебаний измельчающих элементов 96
4.Оценка взаимодействия роторных рабочих органов со специфическим предметом труда107
4.1. Опавшие листья как специфический предмет труда .107
4.2. Основные физико-механические свойства опавших листьев 108
4.3. Технологические свойства опавших листьев 117
4.4. Оценка качества измельчения растительного материала 121
4.5. Загрязненность и засоренность измельченных остатков. JE29
4.6. Оценка энергоемкости измельчения растительных остатков 133 Выводы. 141
5.Оптимизация проектных параметров роторных измелъчащих рабочих органов143
5.1. Критерии эффективности создания измельчающих рабочих органов лесохозяйственных машин , 143
5.2. Выбор и конструирование целевой функции 146
5.3. Обоснование ограничений 151
5.4. Формализация задачи оптимизации 155
5.5. Алгоритм оптимизации 158
5.6. Анализ проектных решений 166
5.7. Эмпирическая оптимизация по критерию энергоемкости измельчения 168
Выводы 171
6.Обоснование параметров рабочих органов машин для сбора и измельчения растительных остатков172
6.1. Машины для сбора растительных остатков Х73
6.2. Согласованность функционирования подбирающего и измельчающего рабочих органов 179
6.3. Основные параметры роторных рабочих органов 182
6.4. Технические рекомедцации по результатам исследовательских испытаний : 188
Выводы 196
Общие выводы и іжомещации 197
Литература

Обзор исследований режимов функционирования измельчающих рабочих органов
Исследования колебаний шарнирноприкрепленных измельчающих элементов
Методика исследований колебаний измельчающих элементов
Технологические свойства опавших листьев

Введение к работе

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 гг. и на период до 1990 г. ставится задача "... ускорения выпуска новых видов техники для механизации лесосечных работ, мелиоративного строительства и коммунального хозяйства" /I/. Научно-технический прогресс на современном этапе развития общества предъявляет повышенные требования к техническому уровню создаваемых машин и срокам их внедрения в производство. Вместе с тем усложнение конструкций разрабатываемых технических устройств ведет к увеличению времени, затрачиваемого на проектно-конструкторские работы и технологическое проектирование. Такое противоречие может быть разрешено только на базе научно-обоснованных методов исследования и оптимального проектирования с широким использованием ЭВМ.
Решениями ХХУІ съезда КПСС предусмотрено увеличить к 1985 г. площадь зеленых насаждений и довести ее до 3 млн.га. В связи с этим возрастут и затраты по уходу за зелеными насаждениями. Поставленная задача может быть решена как путем более эффективного использования имеющейся техники, оборудования и материалов на базе широкой механизации всех трудоемких процессов и уменьшения доли ручного труда, так и созданием и внедрением новых высокопроизводительных машин и прогрессивных технологий.
Проблема комплексного использования опавших листьев и других древесно-растительных остатков с учетом их народнохозяйственного и экологического значения решается по двум основным научным направлениям:
I. Использование собранных механизированным способом остат ков в качестве исходного сырьевого материала при производстве органических удобрений или кормов /2/;
2. Измельчение частей древесины, сучьев, листьев, лесного отпада и растений роторными рабочими органами мобильных машин и внесение мелкоизмельченной фитомассы в почву в виде органических удобрений /3/.
Технологический процесс сбора и измельчения растительных остатков в парках и лесопарках имеет свои особенности. Согласно требованиям агротехники недопустимо повреадение дернового слоя и травяного покрова газонов. Предъявленным требованиям отвечает раздельная компоновка подбирающего рабочего органа типа роторные грабли и измельчающего роторного рабочего органа.
Вопросы теории, конструкции и проектирования подбирающих рабочих органов отражены в литературе по сельскому хозяйству, поэтому в настоящей работе отражены лишь вопросы согласованности функционирования совместно с измельчающими рабочими органами и особенности предмета труда.
Роторный рабочий орган с шарнирноприкреплеиными измельчающими элементами является конструктивно сложным агрегатом многих сельско- и лесохозяйственных машин, выполняющим основную, наиболее энергоемкую технологическую операцию. Преимуществами данного рабочего органа являются простота изготовления, смены и заточки измельчающих элементов, их полная взаимозаменяемость. Оценить режимы функционирования со специфическим предметом труда, обосновать кинематико-конструктивные параметры такого рабочего органа на современном этапе технического развития можно только на основе теоретико-экспериглентальных исследований.
Вопросы оценки режимов функционирования роторных измельчающих рабочих органов при взаимодействии со специфическим предметом труда до настоящего времени не рассматривались.
Друтой круг вопросов, рассмотренных в .диссертации, касается формализации и решения задачи оптимального проектирования роторных рабочих органов. Выбран и обоснован стоимостной критерий эффективности. Получены выражения для целевой функции и ограничений по производительности, возникающим нагрузкам и режшлам работы. Проведена эмпирическая оптимизация по критерию энергоемкости измельчения.
Цель настоящей работы - разработка методов оптимального проектирования и оценки режимов функционирования роторных рабочих органов с шарнирноприкрепленными измельчающими элементами применительно к лесохозяйственным машинам для уборки и измельчения растительных остатков, а также обоснование рекомендаций по снижению стоимости изготовления при заданной производительности, энергоемкости при фиксированной степени измельчения, повышению качества функционирования рабочих органов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Теоретико-экспериментальная модель оценки динамических нагрузок измельчения, возникающих на шарнирноприкрепленных измельчающих элементах рабочего органа.
2. Показатели оценки режимов функционирования роторных измельчающих рабочих органов.
3. Целевая функция и алгоритм поиска оптимальных проектных параметров роторных измельчающих рабочих органов.
4. Рекомендации по снижению стоимости изготовления рабочего органа при заданной производительности, энергоемкости при фиксированной степени измельчения.
5. Технические рекомендации, направленные на повышение качества уборки и измельчения растительных остатков и эксплуатационной надежности функционирования.
Основные результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ЛТА им.С.М.Кирова по созданию машины для уборки и измельчения опавших листьев (№ гос.регистр. 79076484 - 1980 г., 810064066 - 1981 - 1982 гг., 01.83.0033284 -1983 г.), проводимых по заказу Ленгорисполкома. В результате этих разработок создан и испытан опытный образец машины для уборки и измельчения листьев ЛУМ - І.П. По результатам испытаний разработаны технические решения, направленные на повышение качества уборки и измельчения, защищенные авторскими свидетельствами СССР J I0I5860, 1080788, 1077599, 1083964.
Результаты исследований реализованы в исходных требованиях к заявке Главзеленхоза Минкомхоза РСФСР на разработку и освоение оборудования для уборки листьев, на основании которой тема была включена в план НИР и ОКР Минкомхоза РСФСР на 1984 г. Серийное производство оборудования начнется с 1985 года.
Основные положения разработанной методики оптимального проектирования роторных измельчающих рабочих органов лесохозяйст-венных машин внедрены во Всесоюзном научно-исследовательском институте агролесомелиорации (ВНШШИ) и использованы при проектировании рабочих органов роторного плуга и корчевателя.
Следует отметить, что многие выводы и рекомендации, методики исследований, экспериментальная установка, постановка задачи оптимизации и алгоритм решения, рассмотренные в настоящей работе, могут быть применены при обосновании параметров роторных рабочих органов сельскохозяйственных и других машин.

Обзор исследований режимов функционирования измельчающих рабочих органов

Теоретические основы исследований работы измельчителей сельскохозяйственных машин разработаны акад.В.П.Горячкиным /7/. Как показал В.П.Горячкин, с энергетической точки зрения наивыгоднейшим является резание со скольжением, а нормальное резание (рубка) считается нежелательным. В.А.Желиговский /12/ пришел к противоположному выводу: наименьшая удельная работа имеет место при рубящем действии лезвия. По его данным, по мере увеличения угла скольжения, удельная работа возрастает. Н.Е.Резник /6/ экспериментально установил, что оптимальным по критерию удельной работы является угол скольжения 25. Различие полученных авторами работ /7, 12, 13, 14/ выводов объясняется тем, что при их исследованиях не только не исключалось трение материала о фаску лезвия, но и сам процесс протекал при малых скоростях и при очень тонком слое измельчаемого материала.
В работах /6, 7, 8/ рассмотрены следующие формы линий лезвий измельчающих элементов: гиперболическая, логарифмическая и архимедова спирали, эксцентрическая окружность, развертка окружности, инверсия развертки, прямая линия, линии, подчиняющиеся различным законам. На практике форму линий лезвия выбирают на основе опытных данных, и поэтому зачастую она не подчиняется какой-либо геометрической кривой. Наибольшее распространение полу і a
Конструктивные схемы рабочих органов измельчителей фирмы: а - Лели (Англия); б - Нью Айдиа (США) чили прямолинейные измельчающие элементы. Это объясняется простотой их изготовления, монтажа и заточки. Однако ножи такой конструкции не обеспечивают равномерную нагрузку, как на отдельно взятый измельчающий элемент, так и измельчителя в целом.
Энергетические показатели режимов функционирования измельчающих рабочих органов являются определяющими. Качественные и количественные показатели процесса измельчения (степень измельчения, однородность, производительность) связаны с энергетическими показателями. Установлено /13/, что на привод измельчающих рабочих органов расходуется 70 - 80% всей мощности базового шасси, причем непроизводительные затраты мощности резко возрастают как на повышенных, так и на пониженных частотах вращения ротора. Б связи с этим основной задачей теоретических и экспериментальных исследований является снижение энергоемкости процесса измельчения. Вопросы энергоемкости измельчения рассмотрены в работах /6, 8, 15, 119, 125/. Тем не менее большинство исследований носят сугубо специфический и эмпирический характер и не содержат общего методологического подхода.
Скоростные характеристики режимов функционирования измельчающих рабочих органов имеют важное значение для обеспечения работоспособности при измельчении с инерционным подпором. Многие авторы предлагают оценивать такие режимы критической скоростью измельчения "Лр; при скоростях ниже "Ь кр аппараты рассматриваемого типа становятся неработоспособными. Обоснованию и исследованию 1/кр посвящен ряд научных работ /7, 16, 17, 18, 19/. В указанных работах дано обоснование икр в основном для стебельчатых кормов при существенной идеализации реального процесса измельчения. В свою очередь, приведенный экспериментальный материал имеет большое прикладное значение. Доказано, что с увеличением икр сопротивление измельчению уменьшается, а при расчете
Укр следует ориентироваться на измельчаемые частицы, обладающие наименьшей массой и жесткостью. Исследования колебаний шарнирно-прикрепленных измельчающих элементов приведены в работах /6, 8, 123/. Дано обоснование безрезонансных режимов, но без связи с нагрузками измельчения.
Результаты исследований нагрузок измельчения обычно используются для расчета сил, действующих на рабочие органы и на машину в целом, с целью сокращения энергозатрат, обоснования геометрических и кинематико-конструктивных параметров рабочего органа, определения прочности конструкции и ее элементов, выявления условий устойчивого функционирования /20/.
Существует два подхода к определению нагрузок измельчения: детерминированный и стохастический. Первый характерен тем, что при расчетах не учитывается случайная природа нагрузок и свойств предмета труда. Обычно определение нагрузок происходит по схеме:
1. Анализ сил и моментов, действующих на рабочие органы при их установившемся функционировании или в условном статическом положении;
2. Переход от статической схемы сил и моментов к динамическому взаимодействию рабочих органов со специфическим предметом труда /4, 6, 7, 8/.
При втором подходе используются методы статистической динамики на фоне богатого экспериментального материала /21, 22/.

Исследования колебаний шарнирноприкрепленных измельчающих элементов

Создание измельчителей растительных материалов с рабочими органами роторного типа требует знания характеристик процесса измельчения, которые до настоящего времени не изучены. Поэтому принципиальное значение приобретает выдвижение рабочих гипотез. Б частности, анализ экспериментальных данных /46/ и литературных источников /22, 47/ позволяет выдвинуть гипотезу о стационарности рабочего органа как динамической системы и квазистационарности колебаний измельчающих элементов при установившемся режиме футшдаонирования измельчителя.
При изучении колебаний шарнирноприкрепленных измельчающих элементов достаточно исследовать отклонения этих элементов от нормали к оси ротора, т.е. изменение угла отклонения при работе во времени. При этом положение отдельно взятого измельчающего элемента вполне определяется заданием величины угла отклонения и частоты (утла) вращения самого ротора, а система ротор-элемент имеет две степени свободы. При выводе уравнений колебаний ротор с шарнирно закрепленными на нем измельчающими элементами рассматривается как регулярная циклическая система /48/. Основная идея вывода состоит в том, что составляется уравнение движения только одного типового элемента (ножа), выделенного из системы, и предполагается, что векторы состояния в характерных связях подобны.
Колебания измельчащих элементов возникают вследствие неравномерности нагрузки по окружности ротора, а также в связи с возмущениями, вносимыми в поток измельчаемого материала самими измельчающими органами. Задачей проектировщиков в этом случае является расчет собственной частоты колебаний измельчающих элементов и выбор такой их конструкции, чтобы исключить возмоншость резонанса при наименьшей массе.
Измельчающий элемент является в самом общем виде стержнем переменного сечения со свободным концом - второй конец элемента шарнирно прикреплен к ротору. Ось элемента является слабоизогнутой пространственной кривой, но при проектных расчетах можно с достаточной точностью считать, что она прямолинейна и перпендикулярна к оси вращения ротора. Поперечные относительно плоскости вращения перемещения измельчащих элементов не учитываются, а их деформации предполагаются несоизмеримо малыми по сравнению с деформациями растительного материала.
Рассмотрим механические колебания системы, изображенной на рис.2.I при случайном воздействии нагрузок. Воспользуемся принципом Даламбера, приравнивая нулю сумму моментов относительно точки крепления к ротору Qi . При этом примем следующие допущения и рабочие гипотезы:
1. Геометрические параметры измельчающих элементов идентичны. Элемент состоит из однородного материала ишеет одинаковое сечение по всей длине /45/.