К вопросу обоснования конструктивных параметров механической установки с упруго-жесткими несущими элементами

Основной целью активно развиваемой в настоящее время мировой внешнеполитической стратегии США и большинства европейский стран, являются, так называемые, процессы сдерживания развития науки, агропромышленного и военного комплексов Российской Федерации, а также ее государственной, финансовой и банковской сфер. Особо уязвимой, в данной ситуации, является макрологистическая система агропромышленного комплекса РФ, ввиду наличия, до недавнего времени, в своей структуре, глубоких и устойчивых внешнеэкономических связей.

Благодаря проводимой государством политики импортозамещения, открылись скрытые возможности аграрного потенциала РФ, позволяющие обеспечить продовольственную безопасность государства. Однако уровень производства продукции растениеводства и животноводства в настоящее время значительно ниже генетического потенциала сельскохозяйственных культур и животных. Особенно ярко такое отставание прослеживается в животноводческом секторе. гидропонный установка корм механизация Основной причиной такого положения является нарушение технологического процесса содержания и откорма сельскохозяйственных животных и птицы, из-за недостатка традиционных кормов, концентрированных комбикормов и витаминов [1]. В связи с этим возникла необходимость разработки круглогодичного производства дополнительных кормов, позволяющая сбалансировать кормовые рационы на протяжении всего года. Этим требованиям отвечает гидропонный метод выращивания зеленых и белковых кормов [2].

По данным фирмы «Элеусис. С.А.» (Австрия) гидропонный зеленый корм (ГЗК) в 6 — 8 раз дешевле травяной муки, в 5 — 6 раз комбикорма и в 3 раза сена. ГЗК содержит требуемые питательные вещества и витамины, хорошо поедается и усваивается, является экологически чистой продукцией. Производство этих кормов не зависит от времени года и может осуществляться как в закрытом помещении, так и на открытом пространстве, в зависимости от климатических условий местности [2, 3].

В нашей стране выращивание ГЗК началось в 30-е годы прошлого века, но до настоящего времени сдерживается недостатками проведения технологических процессов и низким уровнем их механизации. В таких странах как Австрия, Испания, Англия, Япония гидропонный метод выращивания кормов является одним из основных в кормопроизводстве. Экспортируемые этими странами гидропонные установки являются довольно дорогостоящими, что исключает возможность их приобретения, особенно в сложившейся в настоящее время экономической ситуации [4, 5].

На протяжении последних пятнадцати лет в ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет» (ФГБОУ ВО «КГМТУ»), а в последние два года совместно с ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ), ведутся исследования, целью которых является разработка комплексных научно-технических основ создания средств механизации производства гидропонных кормов, обеспечивающих оптимальные конструктивно-технологические решения условий протекания технологических процессов, существенно снижающие энергои материалоемкость, трудовые затраты и обеспечивающие экономическую эффективность их применения. [6, 7, 8].

Постановка задачи Произвести анализ конструкции гидропонной установки, разработанной в ФГБОУ ВО «КГМТУ» (по А.С. № 1 512 528, № 1 628 983, 1 732 872), с целью определения возможных технологических и конструктивных недостатков, негативно влияющих на отдельные элементы системы в процессе эксплуатации [9,10,11]. С целью определения характера движения рассматриваемой системы необходимо составить уравнение движения лотка. Необходимо также определить параметры, характеризующие динамическую устойчивость рассматриваемой системы, позволяющие определить конструктивные размеры гидропонной установки, а также обеспечить ей надежную работоспособность в процессе эксплуатации.

Результаты исследований Анализ технологий и средств механизации производства гидропонной продукции позволяет утверждать, что действующие в настоящее время установки отличаются сложностью в изготовлении и эксплуатации, дорогостоящие и требуют для их работы большого числа дополнительных механизмов. Закладка посевного материала и снятие урожая производится вручную, что приводит к увеличению стоимости выпускаемой продукции.

В ФГБОУ ВО «КГМТУ» разработан ряд гидропонных установок ярусного типа. В этих установках устранены отдельные конструктивные и технологические недостатки ранее разработанных механических систем [6, 7, 8]. Отдельные технологические операции в них осуществляются под действием сил тяжести без дополнительных трудовых затрат и механизмов. Последнее достигается благодаря конструктивным особенностям системы установки. При проектировании этих установок преследовалась цель: снизить ресурсозатраты на производство готовой продукции.

Итак, за проектную основу приняты однои двухъярусные установки с жесткими, упругими и упруго-жесткими несущими элементами, как наиболее приемлемые с точки зрения экономии энергоносителей, снижения ресурсозатрат, а также возможности локального обогрева [12].

На рисунке 1 представлена механическая модель гидропонной установки. Лоток для выращивания гидропонной продукции с конструктивными элементами, допускающими разгрузку урожая и возврат в исходное рабочее положение под действием сил тяжести без дополнительных энергетических и трудовых затрат, устанавливается на дуговые направляющие CD и C^/D^/. Дуговые направляющие крепятся к жестким стержням AB и A^/B^/ с помощью таких же жестких стержней CB, BD и C^/B^/, B^/D^/ шарнирно. Вся рассмотренная система подвешивается к упругим элементам EAF и E^/A^/F^/, которые в свою очередь, шарнирно крепятся к перекрытию в точках E, F и E^/ F^/. Дуговые направляющие, а также точки крепления системы к перекрытию соединены между собой жесткими связями EF и E^/F^/. Через точки, А и А^/ проходит система полива Q — Q^/. Полив производится методом дождевания. На жесткие связи EF и E^/F^/ укладывается система облучения M — M^/ с лампами ДРЛ — 125. В качестве жестких стержней, в зависимости от силы тяжести лотка с урожаем, рекомендуется использовать металлические прутки диаметром 3 — 5 мм, а в качестве упругих элементов в опытных установках использовалась стальная проволока диаметром 5 мм с разрывным усилием 1400 — 2000 Н/мм², с учетом того, что вес лотка с урожаем может изменяться в пределах 700 — 1400 Н. Угол наклона лотка к горизонту в процессе выращивания урожая ц_{0 =} 3 — 5⁰ достигается незначительным смещением точек подвеса A, A^/ от вертикальной плоскости симметрии установки, т. е. расстояние S₁ незначительно превышает S₂ [12].

Установка работает следующим образом. На зафиксированный под углом ц₀ к горизонту лотком производится посев зерна равномерным слоем. После посева центр тяжести лотка с семенами для проращивания располагается на уровне близком к оси цилиндрических секторов с некоторым смещением в сторону опрокидывания за счет начального угла наклона сетки. Угол наклона предусматривает свободное стекание излишков воды или питательного раствора, а также удаление вредных вещества, осевших в корневой системе и вызывающих грибковые заболевания растений.

С ростом растений общий центр тяжести лотка и урожая смещается в вертикальном и горизонтальном направлениях. К моменту созревания урожая (продолжительность выращивания ГЗК 7 — 8 суток) общий центр масс системы «лоток — урожай» располагается выше оси цилиндрических секторов со смещением в сторону опрокидывания.

При срабатывании фиксаторов (на рисунке 1, фиксатор не указан) накопленный в процессе роста растений запас потенциальной энергии системы «лоток — урожай» преобразуется в кинетическую энергию движения, т. е. происходит качение без скольжения цилиндрических секторов по дуговым направляющим.

Дуговые направляющие способствуют непрерывному уменьшению скорости движения лотка. При повороте лотка на угол 90⁰ скорость его движения обращается в нуль, т. е. происходит плавная разгрузка зеленой массы в транспортное средство. После разгрузки урожая центр масс лотка располагается ниже оси цилиндрических секторов. Под действием сил тяжести лоток возвращается в исходное рабочее положение с последующим фиксированием.

При малых возмущениях лотков в рассматриваемой системе возможно возникновение параметрических резонансов, т. е. перекачки энергии поперечных колебаний в энергию продольных. С целью предотвращения перекачки энергии поперечных колебаний в энергию продольных возникает необходимость исследовать устойчивость движения лотков [12]. Обозначим расстояние между точками подвеса установки к перекрытию через l, длину жесткого стержня l₁, а массу лотка с урожаем m. Поместим начало координат в точку Е, ось y направим вертикально вниз, а ось x по направлению от точки Е к точке F. Тогда расстояние EF будет равно EF=l=S₁+S₂. Эквивалентная расчетная схема установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 1 Механическая модель установки с упруго-жесткими несущими элементами и дуговыми направляющими Рисунок 2 Расчетная схема механической модели установки На рисунке 2 используются следующие обозначения: mg — сила тяжести центра масс лотка с урожаем, — усилие в жестком стержне, x и y — отклонение центра масс лотка с урожаем по отношению к началу координат в произвольный момент времени t, ц — угол отклонения жесткого стержня от вертикали в произвольный момент времени t, y_ст — статический прогиб упругого элемента, y₁ — вертикальная динамическая составляющая, — натяжения ветвей упругого элемента принимаются равными, т.к. смещение точки подвеса, А жесткого стержня от вертикальной плоскости симметрии незначительно. Исходя из второго закона Галилея — Ньютона дифференциальные уравнения движения лотка относительно осей координат х и y имеют вид.

(1).

Координаты центра масс лотка с урожаем соответственно равны.

(2).

Продифференцировав соотношения (2) дважды по времени подставим вторые производные в уравнения (1), исключив при этом, N получим.

(3).

Как показали опыты, проведенные в лабораторных условиях, на установках с параметрами близкими к реальным, что колебания лотков устойчивы при ц=5 — 20⁰. Полагая sinц=ц соотношение (3) в виде.

. (4).

Второе дифференциальное соотношение получим из условия равновесия шарнирного узла А. Это соотношение имеет вид.

(5).

Определим N из второго уравнения системы (1) и подставив полученное выражение в (5), при этом учтём второе соотношение, в (2). В результате получаем.

(6).

где.

Малость угла ц позволяет отбросить в полученном соотношении (6) нелинейный член и записать следующее дифференциальное уравнение относительно y₁

(7).

где .

Решение уравнения (7) при начальных условиях t=0, y₁=y_ст и имеет вид.

. (8).

Подставляем решение уравнения (8) в соотношение (4). В результате подстановки получаем дифференциальное уравнение для определения ц.

. (9).

Полагая, получаем классическое уравнение Матье.

(10).

где.

Уравнение (10) содержит два параметра — а и q. Дальнейшее исследование областей устойчивых и неустойчивых решений в плоскости а и q хорошо изучены и представляются диаграммой Айнса — Стретта (рисунок 3). Эта диаграмма полностью освобождает от решения уравнения Матье.

Практическая ценность проведенного расчета заключается в том, что достаточно составить уравнение (10), т. е. найти значения параметров а и q, после чего получить ответ об устойчивости или неустойчивости системы с помощью диаграммы Айнса — Стретта. А далее, если система окажется устойчивой, можно сделать вывод и о конструктивных размерах установки.

Рисунок 3 Диаграмма Айнса-Стретта Рассмотрим пример. Пусть l=45см, l₁=15см, m=100 кг (рисунок 3). Определим натяжение Т₀ упругого элемента АЕ.

(11).

Удлинение этого элемента под действием сил тяжести натяжения Т₀ будет определяться как.

(12).

где Е=2· 10¹¹ — модуль упругости стали, Па;

F — площадь сечения упругого элемента, м².

Эта площадь сечения можно определить из условия прочности, где — допускаемое напряжение пружинной стали, МПа.

Подставляя последнюю формулу в уравнение (12) в результате находим Угол б определим, как Подставляя численные значения находим cosб=0,098, откуда б=3,62⁰.

Статическую деформацию упругих элементов АЕ и АF определим по формуле После подстановки численных данных получаем y_ст=0,0142 м =1,42 см.

Зная статическую деформацию, определим в какой зоне диаграммы Айнса — Стретта находится точка с координатами Полученные значения а и q согласно диаграммы Айнса — Стретта находятся в зоне устойчивости движения лотка. Далее определим сечение несущего элемента ЕАF и его диаметр. Согласно формулы (11) и условия прочности находим площадь сечения и диаметр сечения.

Выводы

• 1. На основании проведенного анализа конструктивных особенностей предложенной установки, было выявлено, что в рассматриваемой системе возможно возникновение параметрических резонансов, с целью предотвращения которых проведено исследование устойчивости движения лотка.
• 2. Движение лотка рассматриваемой гидропонной установки описывает классическое уравнение Матье, содержащее два параметра а и q. Дальнейшее исследование областей устойчивых и неустойчивых решений в плоскости параметров а и q представляются диаграммой Айнса — Стретта.
• 3. В результате проведенных расчетов определен диаметр сечения несущего элемента (d=5 мм), обеспечивающий надежную работоспособность и стабильность гидропонной установки в целом.

• 1. Калетник, Г. Н. Инженерные проблемы производства гидропонного зеленого корма / Г. Н. Калетник, О. Н. Соколенко // Науковий вісник Національного університету біоресурсів і природокористування України. Серія: техніка та енергетика АПК: зб. наук. пр. К.: НУБиП, 2010. Вип. 144. Ч. 3. 2010. С. 415.
• 2. Соколенко, О. Н. Обоснование параметров работы и конструкции установки для выращивания зеленых кормов гидропонным способом: дис… канд. техн. наук: 05.20.01 / О. Н. Соколенко; Кубанский ГАУ. Краснодар, 2015. 154 с.
• 3. Кругляков, Ю. А. Оборудование для непрерывного выращивания зеленого корма гидропонным способом / Ю. А. Кругляков. М.: ВО Агропромиздат, 1991. 79 с.
• 4. Костюченко, В. А. Агромеханическое обоснование машин для производства гидропонного зеленого корма: монография / В. А. Костюченко, В. М. Булгаков, Н. А. Свирень, В. В. Дрига. Кировоград: КОД, 2010. 320 с.
• 5. Соколенко, О. Н. Анализ существующих средств механизации для производства гидропонного зеленого корма / О. Н. Соколенко // Рыбное хозяйство Украины: материалы VІ научно-практической конференции «Морские технологии: проблемы и решения — 2008». Керчь: КГМТУ, 2008. Вып.7. С. 81…83.
• 6. Кирдань, Е. Н. Динамика двухъярусных механических гидропонных установок с жесткими несущими элементами / Е. Н. Кирдань, С. Н. Пилипенко, О. Н. Соколенко // Механизация сельскохозяйственного производства: сб. науч. трудов. Симферополь: КГАУ, 1999. Вып.59. Ч.2. С. 168.
• 7. Костюченко, В. А. Исследование динамики трехъярусной гидропонной установки с упругими несущими элементами и прямолинейными направляющими/ В. А. Костюченко, А. С. Виннов, О. Н. Балака // Сб. научн. трудов КМТИ «Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий». Керчь: КМТИ, 2001. С. 36.
• 8. Пат. 85 260 Україна, МПК (2006.01) А01G31/02. Пристрій для гідропонного вирощування зеленого корму / О. М. Соколенко (Україна). № u201307329; заявл. 10.06.2013; опубл. 11.11.2013, Бюл. № 21.
• 9. А.С.№ 1 512 528 СССР, А01G31/02. Установка для выращивания растений на зеленый корм / В. А. Костюченко, Н. П. Ермаков (СССР). № 4 330 605; заявл. 6.11.1987; опубл. 8.06.89, Бюл. № 15.
• 10. А.С.№ 1 628 983 СССР, А01G31/02.Установка для производства гидропонного зеленого корма / В. А. Костюченко (СССР). № 469 649; заявл. 12.06.88; опубл. 22.10.90, Бюл. № 19.
• 11. А.С.№ 1 732 872 СССР, А01G31/02.Установка для выращивания растений на зеленый корм / В. А. Костюченко, П. П. Фоменко (СССР). № 4 796 880; заявл. 8.10.90; опубл. 15.01.92, Бюл. № 1.
• 12. Калетник, Г. Н. К вопросу устойчивости движения лотков механических гидропонных установок без направляющих с упруго-жесткими несущими элементами / Г. Н. Калетник, О. Н. Соколенко // Техніка і технології АПК: науково? виробничий журнал. Киев, 2010. № 9 (12). С. 31…33.