Justification of the design parameters of the blade of the rotary working body of the solid fertilizer spreader

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для поверхностного распределения удобрений в гранулированной и порошковидной форме производители сельхозтоваров применяют распределители удобрений прицепной или навесной конструкции с различными вариантами рабочих органов: центробежного с лопастями на вертикальной или горизонтальной осях вращения, маятникового или штангового исполнения [1]. Основными задачами исследований в области совершенствования машин для поверхностного внесения удобрений являются снижение показателей неравномерности распределения удобрений, увеличение ширины рассева, а также снижение затрат времени и труда на операцию внесения удобрений [2, 3].

Машины с центробежными рабочими органами, расположенными на горизонтальных осях вращения, не нашли широкого применения в серийном производстве, однако некоторые исследования [4–6] показывают целесообразность совершенствования и применения таких устройств для рассева удобрений. В частности, известен экспериментальный низкорамный разбрасыватель удобрений, разработанный профессором А.Н. Репетовым [7, 8]. Его преимуществом является низкорамная конструкция, которая позволяет осуществлять загрузку удобрений напрямую из кузова самосвала, что значительно сокращает затраты времени смены на операцию внесения удобрений. К тому же, ряд исследований в этой сфере показывает, что возможен значительный рост производительности устройств с разбрасывающими рабочими органами броскового типа при установке на вышеупомянутый разбрасыватель второго ротора для распределения удобрений в противоположном направлении [1, 9]. Конструкция лопастных рабочих органов показала свою эффективность [4], однако процесс движения частиц удобрений по лопаткам таких устройств, а также движения частиц после их вылета из барабана еще не исследован в полной мере.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обоснование является обоснование длин рабочих поверхностей желобообразных лопастей роторов с рабочими органами на горизонтальных осях вращения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На первом этапе исследования работы двухроторной машины для внесения удобрений определялась длина рабочей поверхности лопастей разбрасывающего рабочего органа.

Рассмотрим движение частиц удобрений перед вылетом из роторного рабочего органа с горизонтальной осью вращения. На частицу в этом случае значительное влияние оказывают положение лопаток ротора, радиус ротора, а также длина рабочей поверхности лопаток.

Из конструктивных соображений, связанных с габаритными размерами машины по ширине, диаметр каждого из двух роторов двухбарабанного разбрасывателя удобрений не может быть больше 700 мм. Размеры выгрузного окна прямоугольного сечения, выполненного в боковой стенке кожуха ротора, приняты пропорционально соответствующим размерам ранее установленных для однобарабанного разбрасывателя с диаметром ротора 1080 мм. Таким образом, ширина выгрузного отверстия составила 110 мм, высота – 200 мм. Выгрузное отверстие расположено под углом $\alpha =35°$ к горизонту (рис. 1).

 

Рис. 1. Кожух ротора разбрасывателя гранулированных удобрений. / Fig. 1. Rotor cover of a granular fertilizer spreader.

 

Из рис. 1 следует, что угол поворота лопастей ротора за время выгрузки составляет $\omega t=\mathrm{64,37}°=\mathrm{1,12}\text{\hspace{0.33em}рад}$. В работе Б.П. Беседина [4] установлен угол наклона лопастей к радиальному положению $\psi =12°$ назад относительно направления вращения.

Согласно исследованиям М.Г. Догановского, Е.В. Козловского и В.В. Рядных [10], существует зависимость между углом поворота лопастей ротора за время выгрузки частиц удобрения, радиусом внешней кромки лопатки и длиной ее рабочей поверхности:

$\omega t=\frac{\cos \phi }{1-\sin \phi }\ln \frac{2\cdot \left(r_0\cos \left(\phi +\psi \right)+l_{р}\cos \phi \right)}{r_0(1+\sin \phi )\cos \left(\phi +\psi \right)},$ (1)

где $\omega$ – угловая скорость вращения ротора, мин^-1; $t$ – время движения лопатки ротора вдоль выгрузного окна; $\phi =\mathrm{arctg}\left(f\right)$ – угол трения частицы о лопатку; $r_0$ – радиус внутренней кромки лопатки; $l_{р}$ – длина рабочей поверхности лопатки.

Преобразуем уравнение (1):

$\frac{2\cdot \left(r_0\cos \left(\phi +\psi \right)+l_{р}\cos \phi \right)}{r_0(1+\sin \phi )\cos \left(\phi +\psi \right)}=e^{\frac{\omega t\left(1-\sin \phi \right)}{\cos \phi }}$.

Радиус внутренней кромки лопатки равен:

$r_0=r-l_{р}.$ (2)

Тогда

$\frac{2\cdot \left(\left(r-l_{р}\right)\cos \left(\phi +\psi \right)+l_{р}\cos \phi \right)}{\left(r-l_{р}\right)(1+\sin \phi )\cos \left(\phi +\psi \right)}=e^{\frac{\omega t\left(1-\sin \phi \right)}{\cos \phi }}$

или

$\frac{2\cdot \left(r\cos \left(\phi +\psi \right)-l_{р}\cos \left(\phi +\psi \right)+l_{р}\cos \phi \right)}{r\cos \left(\phi +\psi \right)-l_{р}\cos \left(\phi +\psi \right)+r\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)-l_{р}\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)}=e^{\frac{\omega t\left(1-\sin \phi \right)}{\cos \phi }}.$

Следовательно,

$\begin{array}{l}2\cdot \left(r\cos \left(\phi +\psi \right)-l_{р}\cos \left(\phi +\psi \right)+l_{р}\cos \phi \right)=\\ =e^{\frac{\omega t\left(1-\sin \phi \right)}{\cos \phi }}\left(r\cos \left(\phi +\psi \right)-l_{р}\cos \left(\phi +\psi \right)+r\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)-l_{р}\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)\right).\end{array}$

В результате

$\begin{array}{l}{l}_{р}\left(2\cos \phi -2\cos \left(\phi +\psi \right)+e^{\frac{\omega t\left(1-\sin \phi \right)}{\cos \phi }}\cdot \left(\cos \left(\phi +\psi \right)+\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)\right)\right)=\\ =e^{\frac{\omega t\left(1-sin\phi \right)}{cos\phi }}\cdot \left(r\cos \left(\phi +\psi \right)+r\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)\right)-2r\cos \left(\phi +\psi \right).\end{array}$

Выразим $l_{р}$:

$l_{р}=\frac{e^{\frac{\omega t\left(1-sin\phi \right)}{cos\phi }}\cdot \left(r\cos \left(\phi +\psi \right)+r\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)\right)-2r\cos \left(\phi +\psi \right)}{2\cos \phi -2\cos \left(\phi +\psi \right)+e^{\frac{\omega t\left(1-\sin \phi \right)}{\cos \phi }}\cdot \left(\cos \left(\phi +\psi \right)+\sin \phi \cos \left(\phi +\psi \right)\right)}.$ (3)

Исследования [11] показывают, что коэффициент трения по металлу $f$гранул различных типов удобрений изменяется в пределах 0,31...0,55, а удобрений порошковидной формы по металлу – до 0,71 [12].

Исходя из работ [4, 13] принимаем количество лопастей разбрасывателя 6 штук. Таким образом, при $r_0=0,35$ м, $\psi =12°=0,21$ рад, $=arctg\left(f\right)=arctg(0,31)=0,30$ рад, $\omega t=1,12$ рад длина рабочей поверхности лопатки составит $l_{р}=0,11$ м (рис. 2).

 

Рис. 2. Общий вид ротора разбрасывателя гранулированных удобрений. / Fig. 2. General view of the rotor of a granular fertilizer spreader.

 

Примем значение угла трения $\phi =arctg\left(f\right)=arctg(0,55)=0,50$ рад, что соответствует коэффициенту трения гранулированного суперфосфата по металлу при неизменных значениях $r_0,\psi ,\omega t$, тогда длина рабочей поверхности лопатки составит $l_{р}=0,096$ м. При применении порошковидной формы суперфосфата с коэффициентом трения $f=0,71$, $\phi =arctg\left(f\right)=arctg(0,71)=0,62$ рад, длина рабочей поверхности лопатки составит $l_{р}=0,089$ м. При дальнейшем уменьшении длины лопатки работа разбрасывателя будет неэффективна. Следовательно, длина лопатки $l_{р}=0,11$ м обеспечит сход всех видов гранулированных и порошкообразных удобрений с коэффициентом трения более 0,31 с лопаток в границах выгрузного окна.

В работе [4] установлена эффективность применения лопаток желобообразной формы с точки зрения влияния лопаток такой формы на дальность полета частиц удобрений и плотность рассева.

Таким образом, принимаем форму лопаток ротора квадратного сечения с длиной граней 110 мм, толщиной стенок 3 мм, высотой желоба 41 мм (рис. 3).

 

Рис. 3. Форма лопатки ротора. / Fig. 3. Shape of the rotor blade.

 

Крепятся лопатки такой формы посредством болтовых соединений к лопастям ротора.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

С учетом вышеизложенного разработано устройство для поверхностного распределения удобрений. Конструкция экспериментального распределителя предполагает подачу вносимого материала к рабочим органам ленточным транспортером через загрузочное окно посредством шнека-питателя (рис. 4 и 5).

 

Рис. 4. Экспериментальный разбрасыватель твёрдых удобрений. / Fig. 4. The experimental solid fertilizer spreader.

 

Рис. 5. Схема подачи удобрений к рабочим органам: 1 – роторы разбрасывателя гранулированных удобрений; 2 – кузов разбрасывателя; 3 – шнек-питатель; 4 – транспортер. / Fig. 5. Scheme of fertilizer supply to the working bodies: 1 – granular fertilizer spreader rotors; 2 – spreader body; 3 – feeding screw; 4 – conveyor.

 

Ленточный транспортер, применяемый на разбрасывателе, двигается со скоростью 0,0008...0,013 м/с, что позволяет обеспечить дозу внесения удобрений в 0,1...2,0 т/га при ширине лопаток ротора 110 мм.

Разбрасыватель удобрений работает следующим образом: удобрения посредством ленточного транспортёра через шнек-питатель поступают к лопастным рабочим органам. Лопастные рабочие органы вращаются в направлении выгрузных отверстий. Удобрения под воздействием вращающихся лопастей выбрасываются через выгрузные отверстия и осыпаются на поверхность поля.

Исследование процессов распределения гранулированных удобрений роторным рабочим органом проводилось по методике [14]. В соответствии с работой [15] определяются метеорологические условия испытаний, такие как скорость ветра, температура и относительная влажность воздуха.

Для определения дальности разброса гранулированных удобрений роторным рабочим органом с горизонтальной осью вращения проводились исследования машины на стационаре. Для этого расставили пробоотборники размером 0,5×0,5 м в 8 рядов каждые два метра от осей вращения роторов (рис. 6). Кузов машины был наполнен гранулированным карбамидом, коэффициент трения по металлу которого составляет 0,31.

 

Рис. 6. Схема размещения пробоотборников при стационарном эксперименте. / Fig. 6. Layout of placement of samplers for a stationary experiment.

 

Повторность опытов с каждым типом лопаток трехкратная. Исследована дальность и плотность рассева удобрений разбрасывающим рабочим органом. Были произведены исследования лопастей желобообразной формы различной длины (90 мм, 100 мм, 110 мм, 120 мм, 130 мм). Результаты исследований представлены на рис. 7.

 

Рис. 7. Графики средних значений (в процентах) распределения удобрений при работе рабочих органов с лопастями длиной 90, 100, 110, 120 и 130 мм. / Fig. 7. Graphs of the average values (in percent) of the distribution of fertilizers during the operation of working bodies with blades length of 90, 100, 110, 120 and 130 mm.

 

Согласно графикам (см. рис. 7), при рассеве удобрений рабочими органами с лопастями длиной 90 и 100 мм наблюдается общая тенденция к низким значениям рассева удобрений вблизи разбрасывающего рабочего органа. При распределении удобрений лопастями длиной 120 и 130 мм намечается склонность к появлению наиболее неравномерного распределения удобрений по ширине. Эту зависимость связываем с возможным сгруживанием материала в нижней части разбрасывающего рабочего органа ввиду перемещения вносимых удобрений внутри кожуха на второй круг.

Наиболее равномерное распределение удобрений получается при внесении их роторным рабочим органом с лопастями длиной 110 мм. При этом наблюдается общая для всех вариантов тенденция к наиболее плотному потоку материала ближе к краю распределения относительно центра полосы рассева (на расстоянии 12–14 м от оси вращения ротора). Наименьшая доза удобрений во всех рассматриваемых случаях оказалась в непосредственной близости к машине, а также за выраженным пиком дозы внесения (на расстоянии более 14 м от оси вращения ротора).

ВЫВОДЫ

В результате теоретических исследований и экспериментальных испытаний было установлено, что рассев гранулированного карбамида с коэффициентом трения гранул по металлу 0,31 наиболее эффективен при длине жёлобообразных лопаток длиной 110 мм при диаметре ротора 700 мм.

Равномерность распределения удобрений в этом случае на участке от 6 до 14 м от оси вращения ротора составила не более 19%, что соответствует агротехническим требованиям для внесения удобрений [16]. Однако на участке от 0 до 6 м от оси вращения ротора равномерность внесения удобрений ниже, чем предполагается агротехническими требованиями. К тому же, при установке на разбрасыватель двух роторов, разбрасывающих удобрения в противоположных друг другу направлениях, полоса под машиной (между осями вращения роторов) останется практически незасеянной. Для решения этой проблемы предполагаем установку между роторами дополнительного разбрасывающего устройства, обоснование применения и конструктивных особенностей которого являются перспективой и целью наших дальнейших исследований.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.А. Шварц – редактирование текс- та рукописи, утверждение финальной версии; И.В. Коротков – поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, создание изображений.

Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследований и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследований.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.A. Shvartsv – editing the text of the manuscript, approval of the final version; I.V. Korotkov – search for publications, writing the text of the manuscript, creating images. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work. All authors certify that they meet the ICMJE international criteria for authorship

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. Authors state that this research was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Anatoly A. Shvarts

Kursk State Agricultural Academy named after I.I. Ivanov

Email: shwarz@internet.ru
ORCID iD: 0000-0002-6275-5666
SPIN-code: 7263-9190
ResearcherId: 4961407

Dr. Sci. (Agricult.), Professor of the Standardization and Equipment of Processing Industries Department

Russian Federation, 70 Karla Marx street, Kursk, 305021

Ilya V. Korotkov

Kursk State Agricultural Academy named after I.I. Ivanov

Author for correspondence.
Email: koro7kov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9509-3534
SPIN-code: 5995-1628
ResearcherId: 4373355

Postgraduate in "Technologies and Resources for Mechanization in Agriculture"

Russian Federation, 70 Karla Marx street, Kursk, 305021

References

Supplementary files