3.1. Зооинженерные требования к устройствам для очистки стойл
Устройства для очистки стойл должны отвечать следующим требованиям:
1) обеспечивать постоянную и легко поддерживающую чистоту;
2) исключать передачу информации из одного помещения в другое;
3) быть удобным в эксплуатации при минимальных затратах на техническое обслуживание и ремонт; затраты труда на техническое обслуживание не должны превышать 0,2 чел.-ч;
4) быть безопасным для животных и обслуживающего персонала;
5) очищать стойла от навоза полностью без дополнительного, ручного труда;
6) конструкция устройства должна соответствовать требованиям, предъявляемым к устройствам, работающим в агрессивных жидких средах;
7) в конструкции устройства должны бить использованы унифицированные узлы и детали, используемые в сельскохозяйственном машиностроении.
3.2. Анализ средств механизации очистки стойл по
литературным и патентным материалам
3.2.1. Устройство для уборки навоза. А.С. II92746 СССР.
Предлагаемое устройство включает в себя установленную на раме на вертикальном валу и расположенную над задним краем стойла ротационную щётку для сбрасывания навоза в канал, в котором размещён скребок. С целью предотвращения травматизма животных при уборке навоза из стойл, смонтированных на подвижной платформе, раме выполнена в виде двухплечего рычага, снабженного ограничительным упором.. На одном плече рычага закреплена щетка, а его противоположное плечо подпружиненно. Щетка снабжена кожухом, выполненным в виде диска с цилиндрической отбортовкой к низу на его периферии.
3.2.2. Агрегат для уборки, погрузки навоза и разбрасывания подстилки.
А.С. 1297775 СССР. С целью повышения равномерности разбрасывания подстилки, а также качества уборки навоза предлагаемый агрегат содержит сбрасывающее устройство. Выполненное в виде подпружиненного ротора. Ротор установлен под выгрузной частью поперечного транспортера с возможностью углового перемещения относительно оси в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения агрегата. Ротор связан с транспортером посредствам стоек. Скребки для уборки навоза поворачиваются вокруг вертикальной оси и очищает навоз с поверхности стойл. Скребки соединены с передней частью боковых стенок ковша маятниковыми опорами. Ролики, взаимодействуя с вертикальной стенкой стойла, поворачивают скребки.
3.2.3. Устройство для уборки навоза А.С.1358858 СССР.
Устройство содержит основные скребки 2 (рис 3.1.) и дополнительные скребки 7, удаляющие навоз соответственно из навозной канавки 3 и с задней поверхности стойл 8. Скребки связаны между собой через консольные рычаги 5, причем, последние при помощи шарниров 4 закреплены на основных скребках и контактируют с их верхними поверхностями. В процессе уборки навоза за счет параболической формы рабочей поверхности дополнительных скребков от захватываемой ими навозной массы создается поворотный момент, передаваемый через консольные рычаги 5 основными скребками 2. В результате основные скребки 2 прижимают к днищу навозного канала 3.
Рис. 3.1. Устройство для уборки навоза.
1. цепь транспортёра;
2. основной скребок;
3. навозный канал;
4. шарнирное соединение;
5. консольный рычаг;
6. шлицевое соединение;
7. дополнительный скребок;
8. поверхность стойла.
3.2.4. Устройство для уборки навоза. Австрийский патент №3339652.
Рис. 3.2.Устройство для уборки навоза.
1. направляющий элемент;
2. выступы;
3. штанга;
4. скребок;
5. стойка;
6. болт;
7. стопорная пластина.
3.2.5. Назаров С.И., Прокопенко К.И. Механизация очистки стоил
[27. с. 33…34]. Разработан мобильный механический очиститель стойл
(рис 3.3.).Привод очистителя: электродвигатель 1,5 кВт, редуктор РЧУ –63А. Питание через гибкий кабель, подвешенный над конвейером. При работе конвейера очиститель движется вдоль стойл. Скребки 5 счищают навоз с поверхности стойл в навозный канал.
Рис.3.3.Схема очистителя стойл.
1. рама;
2. привод;
3. самоустанавливающиеся колеса;
4. цепь транспортера;
5. скребок;
6. ведомый вал;
7. ведущий вал;
8. поверхность стойла.
3.2.6. Журавлев Б.И., Бородулин Е.Н., Макаров Э.Р., Соловьев Р.В. Новая технология уборки навоза на фермах крупного рогатого скота [28. С. 22…24]. Предлагается укороченное стойло (рис.3.4.), длина которого на 50…100 мм больше длины косой животного и расположенное на 100…150 мм выше решетки навозного канала. Более низкие уступы ведут к загрязнению стойла, более высокие опасны для животных. Боковые ограничители устанавливают на высоте 1000 мм и длине 1000…1200 мм. Для удобства работы доярок через один длинный устанавливают один короткий ограничитель длиной 600…800мм. Большое значение имеет наклон пола стойл. Стойла имеют ширину 1200мм, уклон пола1%. На пол коротких стойл попадает 22%кала и 17% мочи, а длинных соответственно 94 и 93%.
Затраты труда на уборку понижаются в 2-3 раза. Если же убирать навоз один раз в смену, то можно вдвое уменьшить число скотников.
Рис.3.4. Укороченное стойло.
3.3.Выбор и обоснование конструкции для уборки стойл
Цель конструирования – повышение качеств уборки навоза, снижение затрат ручного труда при обслуживании животных. Конструкция устройства
(рис 3.5.)содержит промышленный транспортер ТСН – 160А 1 и дополнительные скребки 2, удаляющие навоз с задней поверхности стойла 9. Дополнительный скребок 2 посажен на вал 4, который вращается в чугунной втулке 6. Втулка 6 посажена в стакан 5, который приваривается ручной электродуговой сваркой к плите 3. Со стороны стойла к плите 3 приварена проушина 8, в которую входит штырь 11, фиксирующий плиту.
Рис.3.5.Схема конструкции для очистки стойл.
1. транспортер скребковый навозоуборочный ТСН –160А;
2. дополнительный скребок;
3. плита;
4. вал;
5. стакан;
6. втулка;
7. звездочка;
8. проушина;
9. стойло;
10. анкерные болты крепления конструкции;
11. штырь фиксирующий плиту.
При движении транспортера 1 звездочка 7 приводится в движение и вращает вал 4 с дополнительным скребком 2. Плита 3 крепится двумя анкерными болтами к торцевой стенке навозного канала. В процессе уборки навоза, за счет того, что рабочая поверхность скребка 2 выполнена по кубической параболе, захваченный навоз будет сходит со скребка с наименьшим сопротивлением.
3.4. Технологический расчет устройства для очистки стойл
Исходя из известной подачи транспортера ТСН –160А определяется призма волочения по формуле:
h=Q/в*σ*ρ*К, (3.1.)
где Q – подача транспортера, Q =1,25 кг/с [26.с.4.];
в – ширина навозного канала, в =0,32 м [26.с.84]
σ – скорость цепи транспортера, σ=0,18 м/с [26.с.5.]
ρ - плотность навоза, ρ=700 кг/м3 [30. С.40]
К - коэффициент подачи, К=К1*К2*К3*К4*К5, (3.2.)
где К1 – коэффициент заполнения навозного канала, К1=0,5;
К2 – коэффициент, учитывающий уплотнение навоза, при его
перемещении скребком, К2=1,13;
К3 – скоростной коэффициент, К3=0,9;
К4 – коэффициент, учитывающий объем канавки занятой цепью, К4 =1;
К5 – коэффициент, учитывающий уклон подъема наклонного
трансформатора, К5=0,8 [ 5.с.165.]
К=0,5*1,13*0,9*1*0,8=1,32
h=1,25/0,32*700*0,18*1,32=0,024м,
Тяговое сопротивление Р движению транспортёра определяется по формуле:
Р = Nэв*102hт /Кσ, (3.3.)
где Nэв – мощность электродвигателя, Nэв = 4кВт [26. С. 5.]
hт – коэффициент полезного действия передачи,
hт = 0,8 [4. c. 401.]
К – коэффициент учитывающий сопротивление от натяжения цепи,
К=1,1 [4. с. 401]
Р = 4*102*0,8 /1,1*1,18=1648 Н,
Для обеспечения нормальных условий работы скребка необходимо чтобы
Tgλ ≤ tgj2, (3.4)
где l - угол отклонения от перпендикуляра цепи;
j2 – угол трения навоза о скребок.
Необходимое минимальное предварительное натяжение цепи Рmin определяется по формуле:
Рmin =Po вс/[tц (tgλmax – f1tg2λmax)]-Po/[2(1-f1tgλmax)], (3.5.)
где Ро – сопротивление движению скребка при расположении его по нормали
к стене канавки, Н;
Ро =Р/(1-f1 *tgλ), (3.6.)
Ро = 1648/(1-0,7)=1648 Н
вс – расстояние точки приложения силы Р от цепи, вс =0,5 в+с
в – длина скребка, в=0,285м;
с – расстояние от середины скребка до точки приложения силы Р, с=0,015 м;
tц – шаг цепи, tц = 0,08 м [26. С.26]
λmax – максимально допустимый угол наклона скребка, λmax= 150 [4. с. 401]
f1 – коэффициент трения навоза о боковую стенку канала, f1= 0,7 [4. С. 400.]
Hmin =1648*0,157/[0,08 (0,26795 – 0,7*0,072)]-1648/[2(1-0,7*0,26795)]=1150 Н
3.5. Кинематический и энергетический расчет устройства
.Кинематические схемы навозоуборочного транспортера с дополнительным скребком представлена на рисунке 3.6.
Рис 3.6. Кинематическая схема навозоуборочного транспортера ТСН –160А с дополнительными скребком для очистки стойл.
1. приводная звездочка транспортера;
2. натяжная звездочка;
3. поворотная звездочка;
4. звездочка привода дополнительного скребка.
Окружная скорость вращения звездочки привода дополнительного скребка определяется по формуле:
W=υ/R, (3.8.)
где R – радиус звездочки привода дополнительного скребка.
W=0,18/0,15=1,1с-1
Число оборотов скребка определяется по формуле:
n=30*W/П, (3.9.)
n=30*1,1/3,14=10,5 об/мин
Один полный оборот дополнительный скребок совершает за 6 секунд.
Условие эксплуатации учитывает коэффициент эксплуатации, который рассчитывается по формуле:
Кэ = Кφ * Кт *Кγ (3.10.)
где Кφ – коэффициент угла наклона линии центров звездочек к горизонт Кφ =1
Кт – коэффициент температуры окружающей среды, Кт =1
Кγ - ккоэффициент ударности, учитывающий характер нагрузки,
Кγ=1,01 [15. с. 85]
Передаточное число цепной передачи U =1, т.к. число оборотов звездочек равны между собой.
Вращающий момент цепной передачи определяется по формуле:[15. с. 83]
M=9550*N/n (3.11.)
М=9550*4/10,5=3351Нм
Полезное усилие, передаваемое цепью рассчитывается по формуле:
Р=1000 N/ υ (3.12.)
Р=1000*4/0,18=22 кН
Проверочный расчет привода транспортера проводится по формуле:
Nов=КРυ/102hт, (3.13.)
где К – коэффициент, учитывающий сопротивление от натяжения на
приводной звездочке, К=1,1 [4. С. 401]
Nов=1,1*1630*0,18/102*0,8=3,6кВт
Для привода данного транспортера принимается электродвигатель, входящий в комплект поставки транспортера [26. С.5]
1. Для горизонтального транспортера электродвигатель 4а 112МВБСУ1 исп. 1М3081 ТУ16 –510.536-79 мощность 4 кВт с частотой вращения 16,7 с-1 (1000об/мин);
2. Для наклонного транспортера элетродвигатель 4А80В4БСУ1 исп. 1М3081 ТУ16-510.375-79 мощностью 1,5 кВт с частотой вращения 25 с-1 (1500 об/мин)
Передаточное число привода горизонтального транспортера 71,4 наклонного – 27,85.
3.6. Расчет на прочность скребка и вала устройства для
очистки стойл
3.6.1. Расчет скребка. Исходные данные:
1. материал скребка капрон ТУ-6-0-6-309-70
2. площадь поперечного сечения скребка, м2 1,2*10-3
3. допустимое напряжение на изгибе, Н/м2 3924*104
4. предел прочности, Н/м2 8829*104
5. сила сопротивления навоза скребка, Н 103
Скребок работает на изгиб. Условие прочности при изгибе имеет следующий вид:
ζ = М/Wx ≤ [ζ ]u, (3.14.)
где ζ – напряжение, возникающее в поперечном сечении скребка под
действием силы сопротивления навоза, Н/м2;
М – максимальный изгибающий момент, Нм;
[ζ ]u – допустимое напряжение на изгиб для капрона, Н/м2;
Wx – момент сопротивления поперечного сечения скребка относительно
нейтрального слоя, м4 (рис3.7)
Wx=ав2/6, (3.15.)
где а – ширина поперечного сечения скребка, м;
в – высота поперечного сечения скребка, м.
Wx=0,01*0,122/6=2,4*10-5 м4
Рис.3.7 Поперечное сечение Рис.3.8. Схема действия силы
скребка. сопротивления навоза.
Максимальный изгибающий момент определяется по формуле:
М=Р*L, (3.16.)
где Р – сила сопротивления навоза скребку, Н;
L– плечо, на котором действует сила, м (рис.3.8).
М=103*0,6=61,8Нм
ζ =61,8/2,4*10-5=257,5*104 Н/м2
ζ < [ζ]u 257,5*104 < 3924*104
Условия прочности выдержано.
Коэффициент запаса прочности при изгибе определяется по формуле:
К= ζ/[ζ]u, (3.17.)
где ζ – предел прочности при изгибе для капрона, Н/м2.
К =8829*104/3924*104=2,2
Коэффициент гарантии определяется по формуле:
п=Т*К*Э*М, (3.18)
где Т- технологический коэффициент учитывающий специфику
технологического процесса изготовления детали,
Т=Т1*Т2*Т3 (3.19.)
Т1 – учитывает метод формирования детали,Т1 = 1,10;
Т2 – учитывает способ отверждения, Т2 =1,15;
Т3 – учитывает метод пропитки арматуры связывающим. Т3 = 1,05 [ 19. С.45.]
К – расчетно- конструкторский коэффициент, учитывающий точность
расчета и особенности конструктивных форм,
К=К1*К2*К3, (3.20.)
К1 – учитывает точность расчета, К1 =1,4;
К2 – учитывает влияние концентратов напряжений, К2 =1,0;
К3 – учитывает сложность геометрических форм и габариты детали,
К3=1,1 [19. С. 45]
Э – эксплуатационный коэффициент, учитывающий условия
эксплуатации:
Э=Э1*Э2*Э3, (3.21.)
где Э1 – учитывает ответственность детали и ее функции в работе машины,
Э1 = 1,01;
Э2 – учитывает характер нагружения, Э2 =1,0;
Э3 – учитывает агрессивность среды, Э3 =1,2 [19. С. 46]
М – структурно –материальный коэффициент, учитывающий особенности структурного строения и физико –механических свойств пластмасс:
М=М1*М2*М3, (3.22..)
где М1 – учитывают термохимическую природу материала, М1=1,05;
М2 – учитывает физико – механические свойства, М2 =1,10;
М3 – учитывает строение материала, М3=1,00.
Т=1,1*1,15*1,05 =1,33
К=1,4*1,0*1,1=1,54
Э=1,01*1,0*1,2=1,21
М=1,05*1,1*1,0=1,16
n=1,33*1,54*1,21*1,16=2,86
Допускаемые напряжения[ζ]u необходимо корректировать для каждого конкретного случая по формуле:
[ζ]u =[ζ]u/n, (3.23.)
где [ζ]u –откорректированное для данного случая допустимое напряжение
капрона при изгибе Н/м2
[ζ]u =3924*104/2,86=1372*104Н/м2
Эпюры действующих на скребок силы и момента представлены на
рисунке 3.9. 0<X<L
Q=P
Мх=-Рх+Мкр
х=0 М(о)=Мкр
х=L М(е)=-РL +Мкр
Q=103Н
х=0 М=815 Нм
х=0,6 М=815-103*0,6=753,2Нм
Рис.3.9. Эпюры силы и момента, действующих на скребок.
3.6.2. Расчет вала производится на изгиб с кручением по формуле:
ζ экв=Мпр/Wр≤[ζ], (3.24.)
где ζ экв – эквивалентное напряжение, Н/м2;
Мпр – максимальный приведенный момент в опасном сечении, Нм;
Wр – момент сопротивления в опасном сечении, м3
[ζ] – допускаемое напряжения, Н/м2.
Расчетная схема представлена на рисунке 3.10.
Рис.3.10. Расчетная схема.
Приведенный момент определяется по формуле:
Мпр= М2изг +М2кр, (3.25.)
где Мизг – максимальный изгибающий момент в опасном сечении, Нм;
М изг =Р*L, (3.26.)
где Р – сила, действующая на вал от цепи транспортера, Р=1630Н;
L – плечо, на котором действует сила Р, L=0,025 м.
Мкр – максимальный крутящий момент на валу устройства, Нм.
Мкр = Р*(Д/2), (3.27.)
Д – наружный диаметр звездочки, Д=0,3 м
Момент сопротивления определяется по формуле:
Wр=П*d3/16≈0,2d3, (3.28.)
где d –диаметр вала, мм.
Так как изгибающий момент незначительный, то расчет вала необходимо производить на кручение по формуле:
τ=Мкр/Wр≤[τ], (3.29.)
где [τ] – допустимое напряжение при кручении, [τ] =80мПа для Ст.5
Мкр=1630*(0,3/2)=244,5Нм
Подставляя формулу 3.28 в формулу 3.29 определяется диаметр вала по формуле:
d= 3 Мкр/0,2*[τ], (3.30.)
d = 244,5*103/0,2*80=27мм
Диаметр вала округляется до 30 мм.
Коэффициент запаса прочности определяется по формуле:
n=τт/[τ] =0,5 ζт/[τ], (3.31.)
ζт- предел текучести материала, ζт=275 МПа для Ст. 5.
n=0,5*275/80=1,72
Эпюры действующих на вал силы и моментов представлены на рисунке 3.11.
Рис.3.11. Эпюры действующих на вал силы и моментов
3. 7.Экономическое обоснование разработанной конструкции.
Затраты на изготовление сборочной конструкции определяется по формуле:
См = Сс +Сдм+Спи+Ссб+Сцн, (3.32.)
где Сс – стоимость изготовления плиты, грн;
Сдм - затраты на изготовление деталей на металлорежущие
станки, грн;
Спи – цена покупных изделий по прейскуранту, грн;
Ссб – заработная плата рабочих, занятых на сборке конструкции, грн;
Сцн, - цеховые накладные расходы на изготовление узла, грн.
Стоимость изготовления плиты:
Сс = Qс Ссд, (3.33.)
где Qс – масса материала, израсходованного на изготовление
плиты, кг;
Ссд – средняя стоимость 1 кг готовых деталей, грн.
Масса материала:
Qс = AQnд (3.34)
где А,n-коэффициенты, зависящие от вида материала детали,
способа ёё изготовления и т.д.;
Qд-чистая масса детали,кг
Qc=1,17*1,2 0,98=1,3 кг
Сс = 1,3*0,25=0,325 грн.
Затраты на изготовление деталей на металлорежущих станках рассчитываются по формуле:
См = kn* kоб* k1 * n* Сч*tв +С1*Qс, (3.35)
где kn - коэффициент, учитывающий масштаб производства,
kn =2,5 [ 2. с. 169 ]
kоб - коэффициент, учитывающий наивысшую точность обработки,
kоб =1,3 2. [с. 170]
k1 - коэффициент, учитывающий наивысший класс чистоты поверхности,
k1 = 1 [2. с. 170]
n – число однотипных деталей;
Сч – часова ставка рабочих, начисляемая по среднему разряду, Сч = 0,58 грн.
tв – средняя трудоёкость изготовления деталей, tв = 2ч;
С1- цена 1 кг материала заготовки, С1= 0,185 грн [2.с.170]
См =2,5*1,3*1*1*0,58*2+0,185*1,3=3,6 грн.
Заработная плата производственных рабочих, занятых на сборке узла определяется по формуле:
Ссб = k* kс*Сч ∑ tсб* kі, (3.36)