Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы развития конструкций рисозерноуборочных комбайнов 14
1.1 Современные тенденции развития рисозерноуборочных комбайнов 14
1.2 Анализ молотильных устройств различных конструкций 29
1.3 Аксиально-роторные молотильно-сепарирующие устройства 3 8
1.4 Молотильные устройства со смещенным пиком сепарации 39
1.5 Анализ вибрационных молотильных устройств 42
1.6 Анализ математических моделей технологического
процесса МСУ 46
1.7 Анализ особенностей технологических процессов работы МСУ 60
1.7.1 Обмолачивающее действие молотильного устройства 62
1.7.2 Сепарирующее действие молотильного устройства 64
1.7.3 Повреждающее действие молотильного устройства 68
1.8 Выводы, обоснование выбранного направления и задачи
исследования 70
2 Исследование физико-механических свойств риса 76
2.1 Методика исследований физико-механических свойств рисостебельной массы 76
2.1.1 Программа исследований физико-механических свойств рисостебельной массы 78
2.1.2 Обработка экспериментальных данных методами матричного исчисления для получения аппроксимирующего полинома 79
2.2 Коэффициент межстеблевого трения в соломистом слое 87
2.3 Коэффициенты трения рисостебельной массы 96
2.4 Обмолачиваемость районированных и селекционных сортов
риса на Кубани 102
2.5 Растрескиваемость зерновки риса от времени просушки в валке 113
3 Классификация мсу по принципам воздействия на обмолачиваемый материал и их синтез 127
3.1 Программа и методика проведения классификации 127
3.2 Классификационные признаки молотильно-сепарирующих устройств 133
3.3 Особенности воздействия рабочих органов МСУ на обмолачиваемый материал 138
3.4 Статистический метод оценки конструктивных схем МСУ 142
3.5 Доминирующие процессы воздействия рабочих органов МСУ на обмолачиваемый материал 148
3.6 Общеметодологические принципы моделирования доминирующих процессов 158
3.7 Системный анализ технологических процессов рисозерноуборочных комбайнов 165 3.7.1 Идентифицируемость математической модели 169
3.8 Синтез молотильно-сепарирующих устройств 174
3.9 Аксиоматизация процессов обмолота и сепарации 183
3.10 Общие аксиоматические положения характерные для
технологического процесса МСУ 186
4 Исследование процесса обмолота растительной массы 188
4.1 Исходные методические предпосылки 188
4.2 Моделирование процесса сжатия растительной массы 191
4.2.1 Общий вид математической модели процесса сжатия 191
4.2.2 Деформация обмолачиваемой массы в рабочей зоне МСУ 196
4.2.3 Закономерность изменения рабочего зазора в
молотильном устройстве 205
4.2.4 Усилие сжатия растительной массы подвижной силой 209
4.2.5 Работа сжатия растительной массы подвижной силой 214
4.3 Моделирование процесса движения растительной массы 219
4.3.1 Движение растительной массы в рабочем зазоре вальцового МСУ 219
4.3.2 Кинематические параметры обмолачиваемой массы в вальцовом МСУ 226
4.4 Обоснование параметров вальцовых МСУ 241
4.4.1 Определение числа ударов ребер вальцов по
обмолачиваемой массе 241
4.5 Логистические распределения в земледельческой механике 250
4.6 Аналитические основы энергетики вальцовых МСУ 260
4.6.1 Мощность на преодоление вредных сопротивлений 261
4.6.2 Мощность на вибрацию рисостебельной массы 263
4.6.3 Мощность сжатия рисостебельной массы в рабочем зазоре 264
4.6.4 Мощность на преодоление сил трений в рабочем зазоре 265
4.6.5 Мощность разрыва стеблей 268
4.6.6 Мощность очеса рисостебельной массы 268
4.6.7 Мощность отбрасывания продуктов обмолота 269
5 Моделирование ударных процессов в МСУ 273
5.1 Исходные научно-методические предпосылки 273
5.2 О взаимодействии вальца барабана с обмолачиваемой массой 276
5.3 Способы определения критической скорости удара рабочего органа по зерну 285
5.3.1 Обоснование критической скорости удара по зерновке 286
5.4 Определение продолжительности времени удара 293
5.5 Энергетический способ определения критической скорости 299
5.6 Активные и реактивные ударные импульсы в молотильном барабане 301
5.7 Момент инерции молотильного барабана под действием ударных сил 307
6 Результаты экспериментальных исследований 316
6.1 Экспериментальные исследования молотильно-сепарирующего устройства 316
6.1.1 Зависимость агротехнических показателей от параметра т и скорости подачи 316
6.1.2 Зависимость агротехнических показателей от начальной установки и частоты вращения вальцов при/=4 321
6.1.3 Зависимость агротехнических показателей работы МСУ от параметров рабочего зазора 323
6.1.4 Зависимость дробления и недомолота зерна от производительности и скорости подачи 326
6.2 Определение мощности на привод вальцов барабана и подбарабанья 328
6.2.1 Баланс мощности вальцового молотильного устройства 332
7 Сравнительная экономическая оценка рисоуборочных комбайнов с различной конструкцией МСУ 335
8 Общие выводы, предложения и рекомендации 341
8.1 Выводы 341
8.2 Предложения научно-исследовательским, проектно-конструкторским организациям и производствам 343
Литература 345
Приложения 382
- Современные тенденции развития рисозерноуборочных комбайнов
- Методика исследований физико-механических свойств рисостебельной массы
- Программа и методика проведения классификации
- Работа сжатия растительной массы подвижной силой
Введение к работе
Снижение потерь зерна при уборке является одним из основных направлений увеличения его производства и снижения его себестоимости при его производстве. Даже при благоприятных условиях, при комбайновом обмолоте его теряется от 3% до 8% риса, а с увеличением урожайности зерновых культур и риса имеет место тенденция к увеличению прямых и косвенных потерь.
С развитием зерноуборочной техники их агротехнические показатели обмолота улучшаются. Это видно на примере создания комбайнов нового поколения «Дон-1500Б» и «Енисей- 1200НМ», «Енисей-950», «Дон-2600ВДР» сменивших менее производительные СК-5А «Нива», «Дон-1200».
Утвердившийся эволюционный путь создания зерноуборочной техники неизбежно приводит к быстрому возрастанию затрат на единицу полезного эффекта.
Создание новых молотильно-сепарирующих устройств идет преимущественно по пути совершенствования традиционных принципов и усложнения базовых конструкций с одновременным увеличением габаритных размеров, то есть по исчерпывающим свой технический, технологический и экономический потенциал направлениям.
Все это в полной мере относится и к молотильно-сепарирующему устройству, от улучшения работы которого зависит эффективность выполнения технологических функции сепарирующими системами и, естественно, качество работы всего зерноуборочного комбайна в целом. Однако за более чем вековую историю развития и непрерывных экспериментально-теоретических исследований, молотильный аппарат не претерпел существенных конструктивных изменений и кинематических параметров. Эффективное использование этих результатов затрудняется тем, что они получены при различных агрофонах, поэтому во многом не полны, зачастую противоречивы, и с трудом поддаются теоретическим обобщениям. Подобная ситуация объясняется широким диапазоном изменения физико-механических свойств обмолачиваемой массы, многообразием и сложностью физических явлений и процессов, происходящих в молотильном пространстве, имеющих статистическую природу и нелинейный характер зависимостей, протекающих дискретно в многокомпонентной анизотропной среде, сопровождающихся ударными воздействиями при наличии сил трения и других видов силового нагружения, а также различного вида колебаниями. Получение надежного опытного материала требует больших трудовых и энергетических затрат даже в лабораторно-исследовательской практике. Все это затрудняет системный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Все это явилось причиной тому, что исходные представления о природе обмолота, оставались длительное время основой, на которой строились теоретические обобщения в работах В.П. Горячкина, М.Н. Летошнева, И.Ф. Василенко, В.А. Желиговского, Г.И. Назарова, М.А. Пустыгина, В.Г. Антипина, Г.К. Колганова, А.А. Роя, Н.И. Косилова, Б.Н. Четыркина, Б.Н. Кутепова, П.А. Шабанова, А.Д. Логина, В.П. Гаврилова, Г.Ф. Серого и др., внесших на начальном этапе развития земледельческой механики наибольший вклад в этот важнейший раздел.
Уточнение характера взаимодействия рабочих органов молотильно-сепарирующего устройства с обмолачиваемым материалом в исследованиях С.А. Алферова, Н.Т. Гармаша, З.И. Воцкого, И.А. Гетьманова, Э.В. Жалнина и многих других авторов позволило Э.И. Липковичу и Н.И. Кленину с существенно разных позиций обобщить накопленный экспериментальный и теоретический материал.
Однако за последнее время появились уточнения и новые данные о структуре растительной массы и закономерностях деформации и движения ее компонентов в молотильном пространстве, которые отражены в работах Н.И. Кленина, В.А. Антипина, Г.И. Дворцова, З.И. Воцкого, А.И. Гетьманова, В.М. Ко-робицына, В.Д. Обрезанова, М.Е. Карлова, Г.А. Кузина В.В. М.И. Чеботарева, В.В. Деревенко, В.Е. Даметкина и др. исследователей, теоретические разработки которых вошли в противоречие с утвердившейся практикой создания МСУ.
Особенности физико-механических свойств рисостебельной массы таковы, что становится очевидной необходимость моделирования технологии обмолота с принципиально иных позиций. Наряду с изысканием оптимальных параметров рабочих органов на «макроуровне», а именно, на основе схемных решений и рационального изменения габаритных размеров, существующих молотильно-сепарирующих систем (увеличение диаметра молотильного барабана, угла обхвата подбарабанья, удлинение соломотряса, увеличение ширины молотилки и т.д.) и поиска лучших режимов функционирования известных рабочих органов, основанных на анализе элементарных взаимодействий компонентов обмолачиваемой массы с рабочими поверхностями, появилась необходимость создания принципиально новых технических решений, связанных с расширением представления о физико-механических свойствах обмолачиваемой массы.
Актуальность этого направления подтверждается еще и тем, что появившиеся за последнее время серия роторных МСУ отличаются друг от друга, большей частью, способом подачи, а по принципу воздействия на обмолачиваемую массу копируют бильные МСУ, хотя в определенной мере лишены их недостатков. Основной их недостаток заключается в повышенной энергоемкости процесса обмолота, вызванной высокой степенью деформации и измельчения растительной массы. Масса высокой влажности имеет тенденцию к жгути-рованию в роторном молотильно-сепарирующем устройстве.
Все это, вместе взятое, диктует необходимость проведения нового этапа исследований, который позволил бы глубже проникнуть в сущность явлений, протекающих при обмолоте, и за счет рационального использования вновь выявленных технологических свойств интенсифицировать, и видоизменить процессы в молотильном пространстве с целью существенного повышения удельных агротехнических характеристик молотильно-сепарирующих устройств и зерноуборочного комбайна в целом. В настоящей работе, на базе исследований, выполненных в КубГАУ, на кафедре ТиПМ изложены анализ и синтез молотильно-сепарирующих устройств рисозерноуборочных комбайнов. Они включают изучение закономерностей деформации и движения компонентов обмолачиваемой массы в молотильном пространстве, исследование процесса обмолота с учетом физико-механических свойств стеблевого потока, процесса сепарации - с учетом изменения структуры соломистого вороха и процесса повреждения растительной массы с учетом конечности элементов, ее составляющих.
При этом рассмотрены структура рисостебельной массы и механика взаимодействия ее компонентов с рабочими вальцами, как барабана, так и подбара-банья, разработаны методики синхронной регистрации компонентов давления обмолачиваемой массы в молотильном пространстве, и идентификации и обработки результатов тензометрирования усилий, как быстропротекающих импульсных процессов.
Однако методологические основы, позволяющие обосновать наиболее целесообразные направления развития теории процессов обмолота и сепарации зерна в комбайнах, требуют дальнейшего совершенствования.
Актуальность работы Современная стратегия развития механизации сельскохозяйственного производства предусматривает увеличение производительности и качества работы сельскохозяйственных агрегатов, включая и зерноуборочную технику. Зерноуборочный комбайн - основная уборочная машина, от которого зависит эффективность работы всего уборочно-транспортного комплекса.
Главным рабочим органом зерноуборочного комбайна является молотиль-но-сепарирующее устройство, определяющее производительность, потери и качество зерна. Многими исследователями установлено, что потенциальные возможности классической схемы МСУ почти исчерпаны, и традиционные пути повышения их производительности уже не дают существенного эффекта. Отсюда возникает проблема их анализа по принципам воздействия на обмолачиваемый материал и синтеза новых конструктивных решений в направлении ин 10 тенсификации работы МСУ при снижении энергозатрат за счет оптимального сочетания различных принципов воздействия на хлебную массу.
Это обосновывает актуальность классификации общих принципов воздействия на обмолачиваемый материал, выявление технологических особенностей каждого из них и целенаправленного выбора наиболее оптимальных их сочетаний. Большинство исследователей изучали работу отдельных конструкций молотильных аппаратов и не уделяли внимания анализу общих принципов воздействия на обмолачиваемый материал.
В то же время обобщенный анализ этих принципов воздействия и выявление доминирующих в каждом типе МСУ позволит синтезировать новые конструкции МСУ, обладающие незначительным разрушением незерновой части, повышенной сегрегацией, стратификацией, сепарирующей способностью под-барабанья и минимальными удельными энергозатратами.
Обобщенный анализ состояния проблемы совершенствования молотильно-сепарирующих устройств рисозерноуборочных комбайнов позволил сформулировать следующую рабочую гипотезу:
Анализ математических моделей технологического процесса молотильно-сепарирующих устройств рисозерноуборочных комбайнов и обработка априорной информации по принципам воздействия рабочих органов на обмолачиваемый материал статистическими методами ранговой корреляции, может дать возможность установления общих принципов механического воздействия рабочих органов МСУ на обмолачиваемый материал. А ранжирование и формализация этих принципов может позволить установить направления интенсификации технологического процесса обмолота и синтезировать по их результатам технологические процессы новых конструкций МСУ по критерию; производительность, сегрегация, стратификация и сепарация зерна.
В соответствии с рабочей гипотезой, цель и задачи исследований сформулированы после изучения и анализа состояния вопроса и приведены в п. 1.8. Научную новизну исследований представляют:
1. Методика установления доминирующих факторов воздействия рабочих органов на обмолачиваемый материал в любом типе МСУ на основе формализации априорных сведений о процессе, обработанных статистическими методами ранговой корреляции;
2. Классификация и ранжирование доминирующих принципов воздействия рабочих органов различных конструкций МСУ на обмолачиваемый материал;
3. Статистические распределения усилий отрыва колосков от плодоножки и закономерность влияния на выход риса сроков просушки в валках и способов уборки районированных сортов в южном регионе РФ, позволивших установить оптимальные сроки и режимы обмолота;
4. Методика установления закономерности движения и кинематических параметров обмолачиваемой массы в рабочем зазоре МСУ;
5. Методика аналитического определения зависимости критической скорости соударения рабочего органа с обмолачиваемым материалом;
6. Аналитические зависимости значений ударных импульсов и импульсивных реакций в молотильно-сепарирующем устройстве;
7. Методика аппроксимации графиков сатурационных технологических процессов с наличием предельного значения функции;
8. Обоснование конструктивно-компоновочного решения привода МСУ (патент №2242113), обеспечивающий стабильность технологического процесса и щадящий режим работы двигателя, повышение производительности комбайна и экономию топлива;
9. Комплект математических моделей, программ и алгоритмов расчета параметров процесса воздействия на обмолачиваемый материал различных типов рабочих органов, их режимов работы с учетом физико-механических свойств обмолачиваемой массы. На защиту выносятся следующие результаты исследований:
- классификация и ранжирование доминирующих принципов воздействия рабочих органов различных конструкций МСУ на хлебную массу;
- методика установления доминирующих факторов воздействия рабочих органов на обмолачиваемый материал в любом типе МСУ на основе формализации априорных сведений о процессе обработанных статистическими методами ранговой корреляции;
- закономерности статистического распределения усилий отрыва колосков от плодоножки и закономерность влияния на выход риса сроков просушки в валках и способов уборки районированных сортов в южном регионе РФ, позволивших установить оптимальные сроки и режимы обмолота;
-аналитические основы установления закономерности движения и кинематических параметров обмолачиваемой массы в рабочем зазоре МСУ;
- энергетический метод аналитического определения зависимости критической скорости соударения рабочего органа с обмолачиваемым материалом;
- методика аналитического определения значений ударных импульсов и импульсивных реакций в молотильно-сепарирующем устройстве;
- методика аппроксимации графиков сатурационных технологических процессов с наличием предельного значения функции;
- конструктивно-компоновочное решения привода МСУ (патент №2242113), обеспечивающий стабильность технологического процесса и щадящий режим работы двигателя, повышение производительности комбайна и экономию топлива;
- комплект математических моделей, программ и алгоритмов расчета параметров процесса воздействия на обмолачиваемый материал различных типов рабочих органов, их режимов работы с учетом физико-механических свойств обмолачиваемой массы. Работа в целом выполнена в Кубанском государственном аграрном университете в соответствии со «Стратегией машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 г.», утвержденной Минпромнауки России, МСХ РФ и РАСХН; программы - ОЦ 0.35 «Создание и освоение высокопродуктивных сортов риса, технологических процессов и оборудования для его возделывания, уборки и послеуборочной обработки» (1981-1985 гг.); научно-технической программой на период 1992-2005 гг. «РИС РОССИИ», а также госбюджетной тематики университета на 1991-2005 гг. (ГР № 01910049840), (ГР № 01200113467), составленной по плану развития АПК Российской Федерации.
Современные тенденции развития рисозерноуборочных комбайнов
Перспективы развития технологий и техники для уборки зерновых культур определяются исходя из условий полного обеспечения России зерном собственного производства, снижения затрат труда на производство единицы продукции, зональной обоснованности техники и технологий, обеспечения комплексной механизации производства зерна в хозяйствах всех типов.
На ближайшую перспективу комбайновая технология в России и за рубежом [29] будет основной на 90-95% уборочных площадей; остальное будет убираться очесом на корню, на зернофураж или по другим технологиям.
Зерноуборочный комбайн остается основной уборочной машиной, и его дальнейшее совершенствование на основании имеющихся отечественных и зарубежных научно-исследовательских и ОКР проводятся по трем направлениям: - совершенствование структуры (типажа) комбайнов с целью максимальной адаптивности их к требованиям производителя продукции; - повышение технического уровня комбайнов с целью доведения показателей эксплуатационной производительности, энергоемкости, материалоемкости, условий комфортной работы до уровня лучших зарубежных моделей; - изыскание принципиально новых конструктивно-технологических и компоновочных решений для создания комбайнов, способных качественно изменить технологию уборки зерновых культур и резко снизить затраты ресуриврезультатам расчетов ВИМ, в оптимальный типаж зерноуборочных комбайнов должны включаться шесть классов комбайнов с пропускной способ ностью от 1,0 до 12 кг/с: 1 класс - 1,0-1,5 кг/с (2,5% от общего количества ком байнов); 2 класс - 2-3 кг/с (7,5%); 3 класс - 5-6 кг/с (45-46%); 4 класс - 7-8 кг/с (16-17%); 5 класс - 8-9 кг/с (20-22%); 6 класс - 11-12 кг/с (5%). [175, 178, 179,192, 302, 80,11, 14, 226, 227, 322, 334, 353, 173, 358, 303, 359, 174]. Потребность России в зерноуборочных комбайнах всех шести классов составляет примерно 530 тыс. шт.
Интерес представляют зерноуборочные комбайны, выпускаемые крупнейшими отечественными фирмами ООО «КЗ «Ростсельмаш», ОАО «Красноярский комбайновый завод» [29, 211, 212], а также зарубежными - «Джон Дир», «Нью Холанд», «Клаас», «Мэсси Ферпосон» [9, 24, 344], «Дойц Фар», «Кейс», «Фиатагри» и др. [194, 252, 287, 324, 356, 357].
Основными тенденциями в совершенствовании зерноуборочных комбайнов 90-х годов в России и за рубежом по данным ВИМ и ЧГАУ можно считать: [10, 29, 36, 72, 91, 105, 150, 192, 193, 200, 212, 225, 228, 242, 319, 320, 321, 324, 339, 350, 354, 357] - создание и выпуск широкой серии (гаммы) комбайнов; - увеличение ширины захвата жаток и подборщиков; - повышение эксплуатационной производительности; - сокращение до минимума потерь зерна и его повреждений; - обеспечение устойчивого протекания технологического процесса; - повышение надежности комбайнов в целом; - создание комфортных и безопасных условий работы комбайнеров; - снижение удельного давления и воздействия на почву; - широкое применение электроники.
Повышение эксплуатационной производительности комбайнов традиционных конструкций достигается благодаря увеличению размеров хедеров, молотильных аппаратов, сепарирующих органов, росту энергонасыщенности.
Так, при использовании барабана диаметром от 450 до 660 мм и увеличении его длины до 1670 мм возрастает площадь соломотряса и очисток. Возрастает также вместимость бункеров, особенно у высокопроизводительных комбайнов [90], до 10 м3, а время выгрузки из них сокращается до 120 с. [таблица 1.1].
Отечественное сельскохозяйственное машиностроение выпускает зерноуборочные комбайны «Дон-1500 А», «Дон-1500 Б», «Дон-2600», «Дон-1200», «Енисей-1200», «Енисей-1200-1», «Кедр-1200», СК-10 «Ротор», КЗС-3. Анализ показал, что повышение их производительности решается за счет модернизации одно и двухбарабанных МСУ [195, 350, 356], а также за счет создания новых машин [82, 83, 92, 187, 220, 271, 273, 280, 285, 294, 297, 299, 300, 327, 328, 331, 348, 355, 356, 365, 366, 372].
Как уже отмечалось [321, 319,320], в нашей стране и за рубежом по-прежнему важной тенденцией является повышение пропускной способности комбайнов.
Комбайны «Дон-1500» и «Дон-1200» [36] предназначены для уборки зерновых колосовых культур с дополнительным приспособлением - для уборки зернобобовых, крупяных, мелкосемянных культур, подсолнечника, семенников трав, сои, кукурузы.
Установлен бильный барабан диаметром 800 мм, длиной 1485 мм с одно-секционным обратимым подбарабаньем. Двигатель СМД-31А мощностью 173— 154 кВт соответственно, копнитель вместимостью 14 м3.
Комбайн «Енисей-1200» предназначен для уборки зерновых, зернобобовых, крупяных культур, кукурузы, подсолнечника, семенников трав, риса, сои и др. [47, 48, 49, 50, 51, 52, 171]. Двухбарабанная молотилка что позволяет снизить потери зерна от недомолота и его травмирования.
Двигатель СМД-22А мощностью 106,7 кВт (145 л.с). Комбайн ПН-100 «Простор» выпускается Тульским комбайновым заводом [26, 27, 28] пропускной способностью 3-3,5 кг/с.
Поперечное расположение ротора дало возможность реализовать тангенциальную подачу хлебной массы, снизить расходы энергии на её деформирование и дробление зерна. Схема технологического процесса комбайна на рисунке 1.3.
Методика исследований физико-механических свойств рисостебельной массы
Молотильно-сепарирующее устройство зерноуборочного комбайна предназначено для осуществления технологического процесса вымолота зерна из колоса или метелки, сепарации его через движущуюся соломистую решетку и неподвижное подбарабанье. Как показывает опыт развития любого технологического процесса, наилучшей реализации этого процесса способствуют: 1) осведомленность о свойствах объектов обработки, т.е. обмолачиваемой зерностебельной массы; 2) тщательная конкретизация требований к виду и состоянию, как самого зерна, так и обмолачиваемой растительной массы; 3) уяснение существа самого технологического процесса обмолота, который должен быть организован в полном соответствии со специфическими свойствами зерностебельной массы.
Результаты исследований физико-механических свойств растительного сырья в связи с операциями уборки и обработки урожая проводятся уже давно. Освещены в литературе физико-механические свойства колосовых культур с точки зрения сопротивления стеблей срезу, разрыву, прочности связей, удерживающих зерно в колосе и закономерности распределения размеров стеблей и колоса в хлебостое на корню.
Все эти закономерности с появлением новых сортов требуют уточнения и обновления. С другой стороны более полувека изучаются физико-механические свойства только в статике. Это касается коэффициентов трения скольжения, которые зависят не только от угла обхвата рабочего органа, но и скорости относительного скольжения, вида культур и влажности. Нами изучались закономерности сжатия растительной массы при статической нагрузке на рабочий орган, а также усилия разрыва стеблей.
Известно, что все процессы, происходящие в молотильно-сепарирующем устройстве являются динамическими. Поэтому физико-механические свойства растительной массы нами изучались в динамике и при изменяющихся углах обхвата, как это происходит в реальном технологическом процессе.
При обосновании и разработке приборов для исследования физико-механических свойств элементов рисостебельной массы применялись методы классической механики, теории планирования эксперимента, эвристического анализа, тензометрирование и специальные методики исследований, разработанные автором.
Согласно поставленным научным задачам программа теоретических и экспериментальных исследований предусматривает следующие этапы проведения работ: - разработка методологии математического моделирования рабочих органов молотильно-сепарирующих устройств, включающую в себя, определение общей структурной схемы прикладного математического моделирования технологических процессов вальцовых молотильно-сепарирующих устройств, математическое моделирование с использованием методов адаптивного агроинжи-ниринга, моделирование ударных процессов на основе системной эвристики и аналогового прогнозирования; - алгоритмизация и разработка программного обеспечения, позволяющего моделирование, проведение вычислительных экспериментов и обработку экспериментальных данных; создание на их основе программно-вычислительного комплекса поточной обработки экспериментальных данных; - разработка и реализация частных методик математического моделирования различных моментов взаимодействия молотильно-сепарирующих устройств на обмолачиваемый материал; - оптимизация математических моделей технологического процесса обмолота качества их протекания с целью их повышения; - разработка и реализация методик поисковых экспериментов; - разработка критериев подобия физического моделирования вальцовых молотильно-сепарирующих устройств; - разработка и реализация методик экспериментальных исследований и сравнительных испытаний; - внедрение полученных положительных результатов в производство.
Изложение большинства методик предшествует их использованию в тексте диссертации, остальные методики, а также применяемые приборы, приведены при этом, в соответствующих разделах.
При экспериментально-теоретическом исследовании физико-механических свойств рисостебельной массы современных и селекционных сортов риса предусматривалось: - определение релаксационных свойств рисостебельной массы; - определение значения коэффициента трения скольжения рисостебельной массы по стали в зависимости от скорости относительного скольжения и угла обхвата рабочего органа; - определение значения коэффициента межстеблевого трения сцепления в соломистом стеблевом слое; - определение значения усилия отрыва полноценных и щуплых колосков риса от метелки; - определение усилия отрыва колосков риса с плодоножкой от метелки; - определение среднего усилия отрыва колосков риса по зонам метелки; - определение морфологической характеристики рисостебельной массы; - определение зависимости степени растрескивания зерновки риса от продолжительности времени их просушивания в валках.
Программа и методика проведения классификации
Сельскохозяйственные машины оцениваются по агротехническим, техническим, эксплуатационным и экономическим показателям. Подобные задачи приходится решать при разработке конструкций машин, комплектовании агрегатов, выборе технологической схемы агрегата.
В данной главе мы рассматриваем статистический метод экспертной оценки различных конструктивных схем молотильных устройств.
При составлении плана экспериментального исследования классификационных признаков МСУ по принципам воздействия их рабочих органов на обмолачиваемый материал, прежде всего, выбрали независимые факторы воздействия исходя из априорной информации полученной по результатам предварительного изучения технологического процесса обмолота, полученным при опросе ведущих специалистов в области зерноуборочной техники из различных организаций и учебных заведений России.
Вначале при предварительном изучении факторов механического воздействия рабочих органов МСУ на обмолачиваемый материал были выбраны все факторы механического воздействия, влияющие на технологический процесс обмолота и указаны пределы их варьирования. Такими факторами оказались: удар - Фі, сжатие поперечное - Ф2, сжатие продольное - Фз, растяжение - Ф4, вытирание - Ф5, очес - Фб, виброколебания - Ф7, пневмовоздействие - Фв.
Для выявления доминирующих процессов механического воздействия рабочих органов различных конструкций молотильно-сепарирующих устройств на обмолачиваемый материал, а также характера распределения их приоритетности в технологическом процессе обмолота мы провели априорное ранжирование факторов, или психологический эксперимент.
Процедура психологического эксперимента осуществлялась следующим образом. Каждому ученому - специалисту в области обмолота при опросе предлагалось заполнить анкету, в которой в рандомизированном порядке были указаны основные факторы, влияющие на технологический процесс обмолота. Экспертам было предложено проранжировать восемь потенциально возможных принципов (факторов) по 24 типам МСУ, Процессу, который, по мнению эксперта, в данном типе МСУ занимает главное место, предлагалось ставить ранг равный единице. Самому менее значительному процессу присваивался ранг равный восьми. В случае затруднения с определением ранга, предлагалось присваивать им «связанные ранги» т.е. двум или более факторам приписывается одно и то же место.
Были составлены две матрицы рангов. Первая матрица составлялась экспертом по различным видам МСУ и имела вид таблицы 3.1. По матрице рангов таблица 3.1 для каждого эксперта по различным типам МСУ определялись доминирующие факторы во всех типах молотильных устройств в порядке возрастания суммы рангов по каждому фактору. По матрице таблицы 3.2 определялись доминирующие факторы для каждого типа молотильно-сепарирующих устройств, всеми экспертами.
Если вычисленное значение % -распределения окажется больше табличного при соответствующем числе степеней свободы, то коэффициент конкордации значимо отличается от нуля и можно утверждать, что согласованность исследователей не является случайной.
Строим диаграмму рангов факторов, отражающую коллективное мнение, для чего по оси абсцисс наносим факторы в порядке убывания их ранга, а по оси ординат - суммы рангов для соответствующего фактора.
С помощью полученной диаграммы производится оценка значимости факторов. В случае неравномерного убывания диаграммы (типа экспоненциального распределения) для дальнейшего рассмотрения отбираем лишь небольшую часть «главных» факторов, а остальные, второстепенные факторы исключаем. Если получится диаграмма с монотонным убыванием (неуверенное различие между факторами), то в дальнейшее рассмотрение следует включить как можно большее число первых главных факторов.
Если специалисты неодинаково ранжируют факторы, то найденное значение коэффициента конкордации W заметно отличается от единицы.
Значимость коэффициента конкордации проверяем по критерию Пирсона х2 Поскольку в матрице (таблица 3.1) нет «связанных» рангов, то вычисление % распределения производим по формуле (3.7).
Так как табличное значение %2 критерия меньше расчетного, следовательно, можно с 95%-ной вероятностью утверждать, что мнение специалистов относительно степени влияния приведенных факторов оценивается коэффициентом конкордации W=0,65 и согласованность мнений исследователей не является случайной.
Для наглядности представления результатов психологического эксперимента строим по данным таблицы 3.2 среднюю априорную диаграмму рангов распределения факторов, по оценкам всех экспертов и всем типам молотильно-сепарирующих устройств. А также суммарную оценку доминирующих процессов по всем типам молотильно-сепарирующих устройств.
Дальнейшие исследования существующих молотильно-сепарирующих устройств проводилось в направлении исследования полученных приоритетных процессов, протекающих в них.
Так были рассмотрены характерные особенности воздействия на обмолачиваемый материал рабочих органов различных конструкций МСУ с точки зрения возможности их выражения через общефизические законы.
Оказалось, что все доминирующие факторы воздействия рабочих органов молотильно-сепарирующих устройств на обмолачиваемый материал формируются общетехническими законами физики, независимо от конструктивных особенностей МСУ.
Работа сжатия растительной массы подвижной силой
Анализируя графики, приходим к выводам: - с уменьшением зазора S степень сжатия обмолачиваемой массы увеличивается для всех значений радиуса вальца; - с увеличением числа граней / - уменьшается степень сжатия обмолачиваемой массы при всех геометрических размерах вальцов и рабочего зазора; - с увеличением радиуса вальца, степень сжатия уменьшается при всех значениях числа граней вальцов, и начальной толщины обмолачиваемой массы; - с увеличением числа граней вальцов уменьшается их захватывающая способность и очесывающей эффект. Определение закономерности сжатия рисовой массы в молотильно-сепарирующем устройстве с многогранными вальцами, которыми занимались многие исследователи [3, 304, 305, 352, 268, 38, 39, 40, 113], играет определяющую роль при изучении динамики молотильного аппарата. Знание закономерностей сжатия соломистой массы вальцами позволит оптимизировать процесс сжатия с целью уменьшения степени разрушения соломистой массы. Снижение степени деформации и разрушения соломы снижает энергозатраты на процесс обмолота и повышает стратификацию в рабочем зазоре и интенсифицирует процесс сепарации зерна, что и является одним из важнейших показателей в работе молотильных устройств.
При движении растительной массы в рабочем зазоре, грани вальцов попеременно воздействуют на нее, вызывая ее очес и вибрацию в вертикальной плоскости, нарушая связи зерна с метелкой и выделяя зерно. Зерно просыпается через соломистую решетку и сепарируется между вальцами подбараба нья, а обмолоченная солома перемещается к выходу из рабочего зазора ребрами вальцов. Все факторы воздействия на обмолачиваемую массу происходят синхронно с ударами ребер вальцов, поэтому определение числа ударов по растительной массе в рабочем зазоре позволяет анализ технологического процесса обмолота. Рассмотрим вопрос определения силы, деформирующей растительную массу, при установившемся режиме работы МСУ на примере совместных воздействии на массу первой пары вальцов (рисунок 4.9). Введем следующие обозначения: О) - частота вращения вальцов; (О - частота вращения барабана; г - радиус вальцов; R- радиус барабана; 2а- расстояние между описанными окружностями вальцов, барабана и подбарабанья, когда их оси вращений расположены на прямой, проходящей через центр барабана. Началом зоны деформации массы вальцом барабана является точка А, а вальцом подбарабанья - точка N. Деформациия массы сопровождаются изменением ее плотности в рабочем зазоре. За время поворота вальцов барабана и подбарабанья на угол — в рабочем зазоре сменяются зоны сжатия и восстановления. Необходимое для деформации массы удельное давление предстоит определить экспериментально в виде функции от плотности. Выделим элементарную зону деформации массы между вальцами барабана и подбарабанья, где сжатие массы сопровождается его расширением в боковом направлении, т.е. вдоль оси вальца. Это расширение можно учесть коэффициентом бокового расширения є, полученным экспериментальным путем. Определим толщину слоя сжимаемой растительной массы в элементарной зоне деформации (рисунок 4.9 а): h = hx+h2+2a, (4.37) где \- расстояние от левого ребра рабочего вальца барабана до горизонтали, проходящей через нижнюю точку окружности, описанной вокруг вальца барабана: Выражение (4.48) показывает, что толщина слоя растительной массы является гармонической функцией времени, и в рабочем зазоре происходят пульсирующие воздействия граней вальцов на обмолачиваемую массу. Так как плотность массы обратно пропорциональна его площади при неизменном усилии сжатия, запишем выражение для плотности в зоне деформации: Аналогично рассматривается зона восстановления.
Для численного решения задачи необходимо установление эмпирической функциональной за висимости удельного давления от плотности и использовать методы приближенного интегрирования. По результатам можно построить эпюру давления по дуге обхвата растительной массы вальцами в зонах сжатия и восстановления. Вывод. Анализ выражений (4.49) и (4.50) показывает, как процесс обмолота определяется конструктивными особенностями аппарата, кинематическими режимами и физико-механическими свойствами растительной массы. В зоне восстановления растительной массы закон изменения зазора будет отображением закона сжатия, а давление растительной массы на грани вальца будет меньше, чем при сжатии, т.к. скорость изменения зазора между вальцами выше скорости релаксации растительной массы.
