Обоснование параметров быстроходного конвейера машины для перемешивания и подачи компоста с дистанционным управлением
Мохов А.А., Иванов А.Г., Максимов П.Л., Лебедев Л.Я.
Ижевская государственная сельскохозяйственная академия
Аннотация
Ускоренное компостирование навоза и помета - это простой, доступный, экологически безопасный и экономически эффективный процесс переработки навоза или помета в конечный экологически чистый продукт - компост. Машина предназначена для приготовления компоста, для повышения управления имеет пульт дистанционного управления. Рассматривается движение компонента по быстроходному конвейеру. Приведено обоснование скорости движения ленты быстроходного конвейера.
Ключевые слова: компонент, перемешивание, траспортер, сила, скорость, кинетическая энергия.
Ускоренное компостирование навоза и помета - это простой, доступный, экологически безопасный и экономически эффективный процесс в производстве, который позволяет рационально использовать природные ресурсы, а именно: перерабатывать навоз или помет в конечный экологически чистый продукт - компост [1-4].
Исходные компоненты (органические отходы, навоз и помет) перед процессом компостирования насыпаются, в зависимости от производства, в длинные кучи, бурты, ямы.
Согласно описанию процесса приготовления компоста [5], бурт должен быть в следующих габаритных пределах: ширина - 1,5…2,5 метра, высота - 2…2,5 м, длина - произвольная, зависящая от масштабов производства. На сегодняшний день приобретают популярность не только на промышленных предприятиях, но и в структуре сельского хозяйства, роботы: полностью автоматизированные, либо полуавтоматизированные машины [6]. Оптимальным решением является применение машины для перемешивания и подачи компоста с дистанционным управлением [7]. Основным узлом, формирующим бурт, является быстроходный конвейер [8], который имеет функцию автоматической осцилляции конвейера, регулировки частоты вращения [9]. В [5] даны основные параметры машины, там же окончательно установлены длина быстроходного конвейера L = 2,2 м; диапазоны углов отклонения конвейера: = -10°...+17°; в = ±28° (рис. 1).
Рис. 1. Схема работы быстроходного конвейера компостера
компостирование навоз конвейер
Рассмотрим движение частиц вороха субстрата по поверхности быстроходного конвейера. После падения частиц субстрата с тихоходного конвейера в зону загрузки быстроходного конвейера частицы имеют округлую форму, хорошо описываемую шаром с характерным размером (диаметром) d = 30…50 мм. Компоненты вороха подхватываются лентой быстроходного конвейера. Изучим начало движения разобщенных (рассредоточенных) шаровидных компонентов при самом неблагоприятном варианте, когда транспортер поднят на угол б=17°.
Сделаем допущение, что в этом процессе отсутствует проскальзывание, так как резиновая лента и влажный кусок (компонент) субстрата имеют хорошее сцепление [10].
Покажем силы, действующие на компонент: силу тяжести , нормальную реакцию , силу трения и момент трения качения МТ. Компонент начинает скатываться вниз.
Система имеет одну степень свободы: собственное вращение компонента, определяемое угловой скоростью .
Связи, накладываемые на систему, являются голономными, поэтому удобно использовать уравнения Лагранжа II рода:
,
где: Т - кинетическая энергия компонента;, - обобщенная скорость и обобщенная координата компонента, соответственно; t - время; Qi- обобщенная сила.
В качестве обобщенной координаты принят угол собственного вращения компонента . Кинетическая энергия компонента, совершающего сложное движение вместе с подвижной лентой конвейера, определяется выражением
,
где: m - масса компонента, кг; VC - скорость центра масс, м/с; IC - главный центральный момент инерции компонента, кгм2; - угловая скорость компонента, рад/с.
Движение компонента относительно ленты конвейера является плоскопараллельным. При принятых допущениях точка контакта K является мгновенным центром скоростей (рис. 2).
Скорость центра масс С находим по векторным уравнениям
,,
где: - скорость точки контакта К компонента с лентой, равная скорости ленты; - вектор угловой скорости компонента; - радиус-вектор положения центра масс С.
Запишем все векторы через оси декартовой системы координат:
, , ,
где - радиус компонента.
Рис. 2. Схема начала движения компонентов вместе с лентой быстроходного конвейера
Векторное произведение
.
Подставим в (3), получим полный вектор скорости:
Запишем полную кинетическую энергию системы, подставив в выражение (2) все величины c учетом (4):
Обобщенная сила представляет собой активную силу, совершающую работу и определяемую из выражения , где - сумма элементарных работ внешних активных сил на возможном перемещении системы
Анализ сил показывает, что на перемещении обобщенной силой является момент силы тяжести и момент трения качения
где - коэффициент трения качения, м.
Из уравнения Лагранжа (1) получаем дифференциальное уравнение с учетом (5) и (6):
, (V1 = cost,
Тогда: , .
Если принять, что момент инерции шара , тогда
.
Дважды интегрируем выражение (7), получаем:
,
Обозначим приведенный коэффициент трения . Постоянные интегрирования С1 и С2 находим из начальных условий: при t= 0 скорость и угол поворота равны нулю (). Тогда получаем выражение для ускоренного вращения компонента:
.
Скорость центра масс клубня относительно ленты будет направлена вниз и равна: .
Скорость центра масс компонента относительно рамы конвейера:
Путь, пройденный центром масс относительно рамы:
.
Определим время , в течение которого одиночный компонент преодолеет весь конвейер, то есть поднимется вверх по наклонной плоскости. Для этого решим квадратное уравнение, приравняв путь S длине конвейера:
Приняв скорость конвейера равной 4 м/с и подставив все значения величин в формулу (9), получаем
с.
При этом скорость, согласно выражению (8), будет равна:
м/с.
Таким образом, одиночный компонент при подъеме вверх будет непрерывно с ускорением скатываться, что увеличивает время подъема по сравнению со случаем отсутствия относительного движения (время c) в 1,18 раза, или на 18%.
Скорость быстроходного конвейера не должна быть меньше V1 = 2,78 м/с.
Однако компоненты могут опираться друг о друга, что приводит к остановке относительного движения и улучшению условий для движения компонентов с конвейером.
Выводы
Для возможности движения компонента по быстроходному конвейеру при самом неблагоприятном варианте, когда транспортер поднят на угол б=17°, скорость ленты конвейера должна иметь значение не менее 2,78 м/с.
Список использованных источников
1. Компостирование методом ускоренной ферментации «ABONO» [Электрон. ресурс] // «ABONO»: сайт. - Режим доступа: http://www.abono.ru/category/fermentation-compost/.
2. Поляков П.В., Критерии рациональности и эффективности использования природных ресурсов // Инженерный вестник Дона. - 2013, №4. - http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1881.
3. SonnenbergН. Energieaus der Landwirtschaft / Sonnenberg H., Graef M. // Landtechnik. - 1999. - Jg. 54, N l. - P. 16-17.
4. Making the most of Waste // Feedstuffs. - 1977. V. 49, № 49. - P. 22-24.
5. Мохов А.А., Обоснование некоторых параметров компостера. Научно обоснованные технологии интенсификации сельскохозяйственного производства. Материалы Международной научно-практической конференции, в 3-ех томах. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия». - 2017. - С. 91-95.
6. Максимов П.Л., Иванов А.Г., Мохов А.А., Петров В.А. Изучение возможностей автоматизации сельскохозяйственных работ // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015, №3 (44). - С. 32-38.
7. Пат. RU172063U1 МПК А01С3/00 / Машина для перемешивания и подачи компоста с дистанционным управлением / А.А.Мохов // №2016147615, заявлено 05.12.2016.
8. Щулькин Л.П., Повышение эффективности работы ленточных и винтовых конвейеров на комбинате строительных материалов // Инженерный вестник Дона. - 2013, №4. - http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2176.
9. Максимов П.Л., Иванов А.Г., Мохов А.А. Проект разработки универсальной мобильной платформы // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Научное и кадровое обеспечение АПК для продовольственного импортозамещения». Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, ФГБОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия». - 2016. - С. 39-42.
10. Романкин Н.Е. Конструкция и расчет конвейеров. Справочник. - Старый Оскол: ТНТ. - 2011. - 145 с.