Обоснование и разработка рациональной конструктивно-технологической схемы рассеивателя минеральных удобрений

Введение. Одним из важнейших факторов, оказывающих первостепенное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур, является качество минерального питания при достаточной влагообеспечен-ности [1-3]. При этом уровень применения минеральных удобрений сдерживается как содержанием влаги в почве, которая на неорошаемых участках зависит от климатических условий, так и высокими ценами - в себестоимости продукции затраты на минеральные удобрения доходят до 30-60% [1, 3]. В этих условиях особо важно бережно использовать содержащиеся в них питательные вещества, для чего удобрения необходимо равномерно распределять по поверхности поля в количествах, напрямую зависящих от влагообеспеченности.

Для распределения по поверхности поля твердых минеральных удобрений в гранулированном виде с последующей заделкой их почвообрабатывающими орудиями, а также подкормки культурных растений, лугов и пастбищ в АзовоЧерноморском инженерном институте -филиале Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде был разработан рассеиватель минеральных удобрений ТРУД-1Б (рисунок 1), производство которого осуществляет общество с ограниченной ответственностью «Таганрогсельмаш».

Дозирование расхода удобрений у разработанного рассеивателя, как и у большинства навесных распределителей удобрений, выполняется двумя заслонками, расположенными концентрично распределяющему диску. Форма прорезей в заслонках имеет существенное значение для получения качественного распределения удобрений. Правильным выбором формы щелей можно одновременно регулировать расход и радиус подачи. В связи с этим при проектировании рассеивателя удобрений ТРУД-1Б решалась задача разработки способа построения прорезей дозирующих заслонок, обеспечивающих постоянство математического ожидания и среднего квадратического отклонения угла бросания удобрений при регулировке дозы их внесения.

Рисунок I - Рассеиватель ТРУД-1Б

Решение задачи и .методики исследования .

Угол схода удобрений с диска cot является функцией радиуса подачи г». Для радиальной лопатки уравнение имеет вид cosy? , 2R ...

cot =----- — In------------,   ( I )

1-siny? /;,(! + sin cp)

где ср - угол трения удобрений по лопаткам диска, град;

R- радиус распределяющего диска, м.

Подставим значение col в формулу угла бросания и рассмотрим угол а как функцию случайных аргументов Го и угловой координаты зоны подачи /..

. cosy? . 2R _ а — Л н--In--н Ө. (2)

1-siny? /;,(! +sin у?)

где 0 - угол между радиусом и вектором скорости частицы при сходе с диска;

а, /. - отсчитываются от поперечной оси координат в направлении вращения диска.

Заданное постоянное значение угла бросания « можно получить только при определенных сочетаниях аргументов, удовлетворяющих уравнению (2), которое, после преобразования имеет вид

. , 2R . (I -sin ф\а -Ө -2) г^ = —_:-- ехр(-------------. (3)

l + smy?             cos ф

Последнее уравнение в полярных координатах г, /. дает логарифмическую спираль вида р = а ехр(кл), где а и к - параметры спирали, определяемые по зависимостям:

2R 1-siny?

а =--------ехр(--— (от - У)), I + sin ф cos ф ,       „ l-siny> к = ct^8 =----- cosy?

Подача удобрений в любую спирали дает заданное постоянное точку значе-

ние угла бросания а. Форма спирали зависит только от угла трения частиц по лопаткам, а ее расположение - от ср, а и R.

Задача выбора положения места подачи должна рассматриваться с позиций обеспечения заданного значения математического ожидания угла бросания и оптимального значения его среднего квадратического отклонения.

Среднее квадратическое отклонение угла бросания рекомендуется выбирать в пределах 0,8-1,0 радиан. Так как среднее квадратическое отклонение угла бросания зависит от радиуса подачи и расхода удобрений через аппарат, то возникает вопрос, какими способами можно поддерживать его значение в указанных пределах. При постоянном радиусе подачи с увеличением расхода угол сектора рассева увеличивается.

Для диска диаметром D = 500 мм с радиальными лопатками эмпирическая зависимость среднего квадратического отклонения от радиуса подачи и расхода определена формулой ст а =0,834-6,056- г + 15,146- г2 +

+ 0,167-0 + 0,040-г-д.

Постоянство математического ожидания угла бросания будет выполнено, если середина прорези совпадает со спиралью равных углов схода, построенной по зависимостям (3, 4). Спираль надо построить при заданных значениях радиуса диска, угла трения, угла Ө. Угол 5 между радиусом и касательной к первой спирали следует определять по зависимости

_         1 - 8ІП ф

9 = arcctg--------•           (о)

cos ф

При ф = л!6 угол 9 равен 60°. Угол между спиралью второй заслонки должен быть на 90° меньше, то есть -30°. Спираль второй заслонки должна быть левой, её коэффициент к должен быть отрицательным. Построенные таким образом спирали пересекаются под углом 90°, что и требуется.

Для постоянства среднего квадратического отклонения угла бросания по уравнению (5) определим соответствие между расходом и радиусом подачи при постоянном ста. Для этого создадим вектор расходов (рисунок 2) и по уравнению (5) найдем радиус подачи для всех расходов. Далее, используя теоретическую или эмпирическую зависимость между расходом и диаметром дозирующего отверстия, вычисляем диаметры дозирующих отверстий, соответствующих заданному расходу и радиусу подачи.

Рисунок 2 - Построение прорези первой дозирующей заслонки

Затем в графическом редакторе вычерчивается спираль равных углов бросания (рисунок 2) и сетка полярных координат. В точках пересечения спирали с окружностями радиусов ri проводим окружности диаметров di. Значения ri и di берем как элементы векторов из рисунка. Огибающие семейства окружностей будут ограничивать прорезь первой заслонки.

Вторая заслонка (рисунок 3) должна иметь прорезь, у которой сохранена такая же, как на рисунке 2, зависимость между радиусом и диаметром отверстия, но форма спирали должна быть левой и ортогональной первой спирали.

Рисунок 3 - Построение левой прорези второй дозирующей заслонки

При выполнении этих условий дозирующее отверстие, образованное пересечением прорезей, близко к квадрату (рисунок

4), а вписанная в него окружность близка к расчетной для заданного расхода.

167"

I, 2, 3, 4 - положения дозирующей заслонки

Рисунок 4 - Форма дозирующего отверстия при различных углах поворота регулирующей заслонки

Над поворотными заслонками установлена отсекающая заслонка, позволяющая производить включение и выключение рассеивателя в работу в любой момент из кабины трактора без нарушения предварительных настроек.

Кроме того, в конструкции применены оригинальные конструкции центробежного распределителя со ступенчатыми лопатками [5], снабженными у косинками, и гидрофицированного ворошителя удобрений [6].

Применение дозирующих заслонок, выполненных по условию постоянства угла схода частиц и центробежного распределителя, снижает вероятность попадания удобрений на агрегатирующий трактор и саму машину. При этом неравномерность распределения различных по свойствам минеральных удобрений полностью соответствует агротехническим требованиям, для этого в конструкции рассеивателя предусмотрен механизм регулирования равномерности внесения удобрений.

Результаты и их обсуждение. Оригинальная конструкция дозирующего устройства позволяет вносить удобрения с дозами от 30 до 680 кг/га, при этом использование гидрофицированной заслонки в нем при разворотах в движении обеспечивает прерывание истечения удобрений в целях их экономии, с сохранением предварительных настроек. Одновременно с заслонкой в действие приводится ворошитель [6] периодического действия, который активизирует истечение удобрений, не измельчая их.

В 2015 году рассеиватель ТРУД-1Б успешно прошел испытания в ФГБУ «Северо-Кавказская государственная зональная машиноиспытательная станция» [6]. В результате испытаний были получены следующие результаты: отклонение фактической дозы внесения удобрений от заданной при различных значениях составило 0,9-2,0% (требования СТО АИСТ 1.13 не более 8,0%); рабочая ширина захвата 13,0— 15,5 м; неравномерность распределения удобрений по ширине захвата 22,0-23,7%; неравномерность распределения удобрений по ходу движения 6,5-13,9% [7].

При агрегатировании с трактором МТЗ-80 мощность, потребляемая машиной, составила от 6,3 до 9,1 кВт [7] при следующих режимах работы: рабочая скорость от 4,7 до 15,0 км/ч, доза внесения от 24,3 до 678,5 кг/га, производительность за 1 ч основного времени от 5,6 до 23,3 га/ч, часовой расход топлива от 5,2 до 7,6 кг/ч.

Рассеиватель ТРУД-1Б соответствует требованиям безопасности ГОСТ Р 53489. Машина оснащена световой сигнализацией, что позволяет осуществлять её транспортирование по дорогам общего пользования. По результатам испытаний рассеиватель был рекомендован к применению в сельскохозяйственном производстве.

Краткая техническая характеристика машины представлена в таблице.

Краткая техническая характеристика ТРУД-1Б

Показатель	Значение	Показатель	Значение
Ширина захвата общая, м	до 30	Норма внесения, кг/га	30-680
Ширина захвата рабочая, м	до 17,5	Масса конструкционная, кг	253
Рабочая скорость, км/ч	до 15	Масса с удобрениями, кг	1250
Объем бункера, л	1000	Производительность, га/ч	до 17
Потребляемая мощность, кВт	6-9	Погрузочная высота бункера, м	1,4

Кроме того, рассеиватель комплектуется прибором для проверки установленной дозы удобрений и симметричности рассева по ширине захвата (рисунок 5).

Прибор используется для проверки и коррекции технологических регулировок рассеивателя, а при работе агрегата он демонтируется. Прибор представляет собой правый и левый приемники. Взвешивание собранных в приемники удобрений позволяет, не выезжая в поле, определять фактическую дозу их внесения и равномерность подачи вправо и влево распределительным устройством по ширине захвата. Это дает возможность оптимизации регулировок рассеивателя, причем конструкция машины позволяет производить коррекцию дозы и симметричности внесения удобрений независимо друг от друга, т.е. без нарушения оптимальных предварительных параметров.

Рисунок 5 - Рассеиватель, укомплектованный прибором проверки установленной дозы удобрений и симметричности рассева

Выводы. В целом можно заключить, что предложенная конструкция рассеивателя удобрений соответствует современному уровню развития сельскохозяйственной техники, а оригинальная конструкция его дозирующего устройства и применение прибора проверки установленной дозы удобрений и симметричности рассева позволяют повысить точность распределения удобрений по площади поля, в сравнении с действующими аналогами.