Содержание к диссертации
Введение
1. CLASS Состояние вопроса и задачи исследований CLASS 9
1.1. Принципиальная технологическая схема работы современной хлопкоуборочной машины 9
1.2. Анализ работ по обоснованию конструктивных параметров шпинделей хлопкоуборочной машины II
1.3. Анализ исследований по работе шпинделей 15
1.4. Анализ исследований по работе шпинделей в зоне
съема хлопка 25
1.5. Анализ работ-, отражающих влияние состояния рабочих поверхностей шпинделя на работоспособность хлопкоуборочной 'машины' 27
1.6. Выводы и задачи исследования 29
2. Кинематика и элементы технологического процесса работы шжндеш, аналитическое обоснование его параметров 32
2.1. Траектория движения точек поверхности шпинделя, наиболее удаленных от оси барабана относительно хлопковой коробочки 33
2.2. Зона гарантированного контакта хлопковой коробочки
со шпинделем 38
2.3. Длина дуги и площади контакта хлопковой коробочки
со шпинделем в рабочей зоне 45
2.4. Количество воздействий зубьев шпинделя на поверхность хлопковой коробочки 48
2.5. Захватываемый объем хлопка зубьями шпинделей и определение шага расстановки зубьев 51
2.6. Геометрическая взаимосвязь основных параметров шпинделя 60
Выводы 62
3. CLASS Экспериментальные исследовани CLASS й 64
3.1. Программа исследования 64
3.2. Методика экспериментальных исследований 65
3.2.1. Средства и методика исследований влияния геометрических параметров шпинделя и его частоты вращения на удлинение хлопковой дольки 65
3.2.2. Методика исследования влияния шага расстановки зубьев шпинделя на процесс захвата и наматывания хлопка на шпиндель 71
3.2.3. Методика исследования влияния шага расстановки зубьев шпинделя на величину их вкалывания 73
3.2.4. Методика определения влияния количества зубьев
на захватывающую способность шпинделя 75
3.2.5. Методика определения силы взаимодействия шпинделя с хлопковой коробочкой 79
3.2.6. Средства и методика измерения толщины слоя зелени на рабочей поверхности шпинделя 83
3.2.7. Методика проведения экспериментальных исследований по определению основных параметров шпинделя 89
3.2.8. Методика проведения сравнительных исследований хлопкоуборочных машин с опытными и серийными шпинделями 93
3.2.9. Методика проведения сравнительных исследований по определению стабильности агротехнических показателей работы хлопкоуборочных машин с опытными и серийными шпинделями 94
3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований 94
3.3.1. Влияние шага расстановки зубьев на процесс захватывания хлопка и наматывания его на шпиндель 94
3.3.й. Влияние шага расстановки зубьев на величину их вкалывания 101
3.3.3. Влияние количества зубьев на захватывающую способность шпинделя 103
3.3.4. Влияние геометрических параметров шпинделя и его частоты вращения на удлинение хлопковой дольки при извлечении из коробочки 105
3.3.5. Силы взаимодействия шпинделя с хлопковой коробочкой и характер их изменения в процессе извлечения хлопка III
3.3.6. Влияние геометрических параметров шпинделя на его зазеленяемость 115
3.3.6.1. Влияние шага расстановки зубьев на характер распределения толщины слоя зелени на рабочей поверхности шпинделя 117
3.3.6.2. Взаимодействия трех основных факторов, влияющих на зазеленяемость шпинделей 123
3.3.6.3. Влияние шага расстановки зубьев на интенсивность зазеленения шпинделей 127
3.3.7. Оптимизация основных параметров шпинделя методом математического планирования экстремальных экспериментов 129
3.3.8. Результаты сравнительных испытаний хлопкоуборочных машин с опытными и серийными шпинделями 133
3.3.9. Влияние параметров опытных шпинделей на стабильность агротехнических показателей хлопкоуборочной машины 135
Выводы 140
Экономическая эффективность от внедрения результатов исследование. выбор направления дальнейших исследовании 142
4.1. Исходные данные для расчета 142
4.2. Расчет годового экономического эффекта от использования машины, оснащенной экспериментальными шпинделями 146
4.3. Поисковые эксперименты по выбору направления дальнейших исследований, исключающих зазеленение шпинделей 152
Выводы 156
Выводы и предложения производству : 157
Спшок использованной литературы 160
Приложения 170
- Принципиальная технологическая схема работы современной хлопкоуборочной машины
- Траектория движения точек поверхности шпинделя, наиболее удаленных от оси барабана относительно хлопковой коробочки
- Средства и методика исследований влияния геометрических параметров шпинделя и его частоты вращения на удлинение хлопковой дольки
- Расчет годового экономического эффекта от использования машины, оснащенной экспериментальными шпинделями
Введение к работе
Основными нанрвлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятыми ХШ съездом КПСС, предусмотрена широкая комплексная программа развития сельскохозяйственного производства. В одиннадцатой пятилетке предполагается увеличить выпуск продукции сельскохозяйственного производства на 12-14$.
В области развития одной из ведущих отраслей сельского хозяйства - хлопководстве, в частности, предусмотрено "...обеспечить среднегодовое производство хлопка-сырца в объеме 9,2-9,3 млн.тонн, улучшить качество волокна. Расширить возделывание хлопчатника наиболее ценных тонковолокнистых сортов, совершенствовать структуру производства хлопка средневолокнистых сортов с высокими технологическими свойствами" /I /.
Решение этих задач связано с ускорением научно-технического прогресса: применением комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, прогрессивных технологий возделывания хлопчатника, укреплением материально-технической базы, переводом отрасли на индустриальную основу.
В комплексе мероприятий, направленных на получение высоких урожаев хлопка, ведущая роль принадлежит механизации процессов уборки урожая. В настоящее время на механизированной уборке урожая хлопка во всех зонах хлопкосеяния успешно используются отечественные хлопкоуборочные машины І4ХВ-2,4А, І7ХВ-І,8Б, ХШІ-1,8, ХВН-1,2, ХВА-1,2, ХВБ-1,8 и др.
Большую роль в создании современных конструкций хлопкоуборочных машин сыграли работы ученых М.В.Сабликова, Г.А.Кошевникова, Л.М.Розенблюма, А.П.Ковгана, В.И.Лазунова, Х.Х.Усманходжаева, М.И.Ландсмана, Д.М.Шполянского и др.
Однако, несмотря на широкое применение хлопкоуборочных машин и систематическое усовершенствование их узлов и деталей, они все еще не обеспечивают требуемой устойчивости технологического процесса, недостаточно высоки их агротехнические показатели: после машинного сбора значительная часть хлопка остается на кустах и сбивается на землю, высока засоренность собранного хлопка-сырца.
Указанные недостатки в работе существующих хлопкоуборочных машин являются, в первую очередь, результатом конструктивных и технологических недоработок основного рабочего органа - шпинделя, связанные в значительной степени с отсутствием теоретически обоснованных требований к его параметрам, учитывающим все особенности условий работы в технологическом процессе.
Практика эксплуатации хлопкоуборочных машин показывает, что зазеленение шпинделей, которое происходит в процессе уборки, отрицательно сказывается на качественных показателях работы: уменьшается полнота сбора хлопка с кустов, увеличивается количество оставленного хлопка в виде ощипков на растениях и сбитого на землю. Этому способствует в большой мере форма рабочей поверхности шпинделя, выполненная с резкими переходами от цилиндрической поверх- , ности к плоским предзубовым долам. Рабочая часть зуба, обращенная к долу, имеет площадку в форме равнобокового треугольника, вершина которого расположена на цилиндрической поверхности шпинделя. При этом зубья расположены очень плотно, а межзубовая впадина мала. Такая конфигурация шпинделя ухудшает очистку его поверхности, т.к. щетина щеточного съемника плохо проникает или вовсе не проникает в межзубовые впадины и предзубовые долы, где скапливается зеленая масса. В связи с изложенным, несмотря на давность использования вертикальных шпинделей, совершенствование их конструкций, обеспечивающее повышение качественных показателей и стабильность работы хлопкоуборочных машин, продолжает оставаться одной из актуальных задач, решению которой посвящена настоящая работа.
Работа выполнена в Среднеазиатском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства /САИМЭ/ согласно тематическим планам НИР на 1977-1980 гг. по теме 3.3., разделу 2 "Изыскать новые принципы и рабочие органы для сбора хлопка-сырца и создать уборочные аппараты с повышенными агротехническими показателями и стабильностью работы" и на I98I-I984 гг. по разделу I "Разработать и внедрить приемы, параметры рабочих органов и устройств, обеспечивающих стабильность работы уборочных аппаратов хлопкоуборочной машины по полноте сбора".
Принципиальная технологическая схема работы современной хлопкоуборочной машины
В нашей стране работы по созданию машины для сбора хлопка-сырца из раскрывшихся коробочек хлопчатника ведутся с 1929 г. В первом десятилетии были созданы рабочие органы, работающие с использованием всасывающего воздушного потока, шнеков, дисков, колес, цепей, обшитых кардолентой, стержней-шпинделей. На их основе были разработаны хлопкоуборочные машины различных принципов действия: пневматические, кардные, пневмомеханические и шпиндельные.
Первые три типа машин из-за неудовлетворительного сбора хлопка-сырца не получили дальнейшего развития. Наибольшее распространение получили шпиндельные машины, которые разделяются на горизонтально-шпиндельные и вертикально-шпиндельные. Последний тип машины для сбора хлопка-сырца был предложен в 1937 г. советским изобретателем Л.М.Розенблюмом и получил дальнейшее развитие в отечественных хлопкоуборочных машинах.
Технологический процесс работы у всех вертикальночппиндельных хлопкоуборочных машин идентичен и осуществляется в нижеописываемой последовательности /рис.1.1/. При движении машины по полю кусты хлопчатника кустоподъемниками и кустонаправителями I направляются в рабочую камеру 2, где попадают под воздействие шпиндельных барабанов 3, вращающихся в сторону, противоположную движению машины. В рабочей камере барабаны обжимают кусты до определенного размера /24...40 мм/, а шпиндели 4, размещенные по периферии шпиндельных барабанов, вращаясь в сторону движения машины, своими зубьями захватывают и наматывают хлопок-сырец, извлекая его из раскрытых коробочек. Вращающимися барабанами хлопок-сырец транспортируется в зону съема 5, где направление вращения шпинделя меняется на про- тивоположное, при этом часть хлопка-сырца сбрасывается самосбросом, остальная вращающимися щеточными съемниками 6 снимается со шпинделя и подается в приемную камеру 7, откуда с помощью пневмо-системы 8 транспортируется в бункер машины 9.
Вопросами исследования технологического процесса работы вертикально-шпиндельных хлопкоуборочных аппаратов и усовершенствованием их рабочих органов исследователи занимаются с 1939 г. Так, в ЦСМАХ СоюзНИХ]/! в 1939-1948 гг. исследовался целый ряд вариантов шпинделей хлопкоуборочных машин диаметром от 10 до 20 мм в одном-, двух- и трехканавочном исполнениях. Угол продольной канавки изменялся от 30 до 75, высота зуба от 2,3 до 4 мм и шаг расположения вдоль образующей от 1,5 до 4 мм.
Испытания показали, что шпиндели с углом продольной канавки 60 и 75 и шагом зубьев 3 мм снизили активность на 8...10$. Наилучшие агротехнические показатели были получены при угле заострения вершины зуба 45 и шаге расстановки зубьев 2,5 мм /II /.
Были испытаны также шпиндели диаметром 10 мм и насеченный шпиндель диаметром 12 мм, которые обладали большей активностью и захватывающей способностью, но при съеме с них хлопка-сырца наблюдалось повышенное джинирование. Кроме этого были испытаны шпиндели /12 /: кардолентные с пильным зубом; трубчатые с продольными канавками со штампованным и фрезерованным зубом; пружинные, внутри которых были установлены зубчатые элементы; трехканавочные с винтовым расположением зуба; с гладкой резиновой гильзой; с пластинчатыми зубчатыми накладками. Несмотря на большие работы по исследованию шпинделей вертикально-шпиндельных машин в те годы, исследования не охватили всех сторон технологического процесса работы рабочего органа уборочного аппарата и диаметр шпинделя ориентировочно был принят равным 16 мм .
Шпиндель этого диаметра был установлен на первый вариант вертикально-шпиндельной хлопкоуборочной машины ХВШ. Машина была выполнена в виде самоходной установки. Ее рабочий аппарат состоял из двух барабанов, несущих по 32 вертикальных шпинделя.
Рабочий орган представлял собой стержень с тремя рядами зубьев на поверхности. Высота каждого зуба была 2,5 мм, шаг расстановки 2 мм /рис.1.2а/. На испытаниях машина собирала 54...64% хлопка в бункер и сбивала на землю 8...15% /13 /.
В 1946-1948 гг. проведены исследования вертикальных шпинделей с различной формой рабочей поверхности и диаметром. Установлено, что шпиндель диаметром 18 мм /рис.26/ заметно не снижает сбора хлопка-сырца, а большее сечение зничительно упрочняет его /14/. Такими рабочими органами были оснащены машины ХВШН-2, а затем и освоенные производством СХМ-48.
Последующие исследования показали, что шпинделями машины СХМ-48 обеспечивается почти полный контакт со всеми имеющимися на кусте раскрытыми коробочками. Однако активность /захватывающая способность/ его оказалась недостаточной, чтобы при контакте с коробочкой извлечь весь сырец /15 /, это обстоятельство вызвало необходимость глубокого изучения активности шпинделя и изыскания путей ее увеличения. Н.И.Поповым /15 / были изучены шпиндели диаметром 18 мм с различной формой и видами рабочей поверхности.
Траектория движения точек поверхности шпинделя, наиболее удаленных от оси барабана относительно хлопковой коробочки
Качественный сбор хлопка-сырца в значительной мере определяется вероятностью встречи шпинделя с раскрытой коробочкой, степенью соответствия параметров шпинделя условиям захвата и наматывания на него хлопка. При этом для успешного захвата хлопка зубьями шпинделей, наматывания его на рабочий орган и последующего извлечения из створки коробочки основным условием является обеспечение необходимой площади контакта.
Последнее обеспечивается движением шпиндельных барабанов, которые вращаясь внутренними сторонами, обращенными к растениям, перемещаются назад относительно направления движения машины, обжимая кусты хлопчатника и плодовые элементы. Шпиндели, соприкасаясь с раскрытой коробочкой и другими частями хлопчатника, вступают во взаимодействие с ними и образуют некоторую площадь взаимного контакта. При этом, с точки зрения достижения необходимого эффекта, полезной следует считать только ту площадь взаимного контакта, которая обеспечивает непосредственное захватывание хлопка и наматывание его на шпиндель, т.е. только с раскрытой коробочкой хлопчатника.
Раскрытая коробочка, в свою очередь, при взаимодействии со шпинделем, вследствие упругих свойств хлопкового волокна, деформируется и образует некоторую площадь взаимного контакта. При этом, вследствие вращения шпинделя, зубья его вкалываются в хлопок, раздвигая переплетающиеся волокна и захватывают его. Далее шпиндель наматывает хлопок и извлекает его из створок коробочки.
Учитывая вышеизложенное, в задачу теоретических исследований входило разрешение следующих главных вопросов: исследование взаи
/модействйя хлопковой коробочки со шпинделем и элементов технологического процесса захватывания хлопка зубьями шпинделей, определение шага расстановки зубьев, а также взаимосвязи его с высотой зуба и диаметром шпинделя, обеспечивающих повышение полноты сбора хлопка и стабильность работы хлопкоуборочной машины.
Точки поверхности шпинделей, лежащие на продолжении радиуса барабана, проходящего через центр окружности шпинделя, являются наиболее удаленными от оси барабана. Они соприкасаются с растениями /21 /, в частности, с раскрытой коробочкой, поэтому, рассматривая траектории движения этих точек относительно хлопковых коробочек, можно понять процесс захватывания хлопка зубьями шпинделей, уточнив степень влияния технологических элементов на него.
В процессе взаимодействия хлопковой коробочки со шпинделем перемещения последнего относительно хлопковой коробочки определяются движением шпинделя и растений, подвергающихся воздействию шпинделей.
Точки, расположенные на поверхности шпинделя, совершают сложные движения: вращательные относительно центра шпиндельного барабана и вокруг оси самого шпинделя, а также поступательное вместе-с машиной.
Рассмотрим движение центра вращения шпинделя во время движения машины. Допустим, шпиндельные барабаны вращаются вокруг оси, проходящей через точки О- и 0и с угловой скоростью си , а машина движется в направлении, параллельном оси ОУ /рис.2.1/.
Выбираем две системы координат ХОУ и Х О -У -. Ось ОУ направлена вдоль движения машины, а ОХ - перпендикулярно. В центре ко
ординаты От расположен центр вращения левого шпиндельного бараба- на. От центра координат Oj системы координат XJOTTJ на расстоянии U по оси OJXJ в точке 04 расположен центр вращения правого противолежащего шпиндельного барабана, причем центры его шпинделей отстоят от центров какого-либо шпинделя другого шпиндельного бара бана на угол -Ц— и между шпинделями противолежащих барабанов об-разована рабочая щель, ширина которой равна В. Введем следующие обозначения:
Средства и методика исследований влияния геометрических параметров шпинделя и его частоты вращения на удлинение хлопковой дольки
Изучением вопроса удлинения хлопковой дольки в процессе ее извлечения из коробочки и наматывания на шпиндель занимались М.В.Сабликов, Н.И.Попов, Ш.Д.Дадажанов, Х.Нуралиев /21,16,8,25 / и др. Измерения длины дольки производились ими как в статических, так и в динамических /полевых и лабораторных/ условиях, когда коробочка с хлопком оставалась неподвижной, а вращающийся шпиндель двигался к ней или наоборот. Такие условия проведения работы в значительной мере отличались от действительного процесса извлечения хлопковой дольки из створок коробочки, что оказывало определенное влияние на процесс ее удлинения. Кроме того, не учитывалось влияние параметров шпинделя.
Для изучения влияния параметров шпинделя и частоты вращения на характер удлинения хлопковых долек, удлинение и разрыв их при извлечении из коробочек и самосбросе со шпинделей в зоне съема нами был разработан и изготовлен универсальный стенд, имитирующий работу уборочного аппарата. На рис. 3.1 и 3.2 показаны общий вид и кинематическая схема стенда.
Стенд состоит из вращающегося диска I, на котором смонтирован электродвигатель постоянного тока 2. На валу электродвигателя установлен испытываемый образец шпинделя 3 длиной 100 мм. Внизу под шпинделем установлена сменная секция поджимного барабана 4. Вращающийся диск установлен в подшипниках на вертикальной оси, за крепленной в корпусе 5. Диск получает вращение от редуктора 6 с Помощью ременной передачи. Частота вращения диска может быть изме нена в результате замены шкива 7 в редукторе.
На верхнем корпусе 8 установлен электродвигатель 9 постоянного тока с редуктором 10. На валу редуктора закреплено водило II, которое передает движение с помощью двуплечего рычага 12 к устройству 13 для закрепления хлопковой дольки с заданным усилием. Под воздействием двуплечего рычага устройство 13 поворачивается вокруг неподвижной оси на некоторый угол и останавливается в момент, когда действие водила на двуплечий рычаг прекращается, после чего оно возвращается в исходное положение с помощью резиновой нити 14.
Устройство 13 состоит из кронштейна 15, на котором припаяны иглы 16 для закрепления хлопковой дольки. К кронштейну прикреплен также двуплечий рычаг 17. Между рычагом и кронштейном установлена оттарированная пружина 18, которая обеспечивает необходимое усилие закрепления дольки. При извлечении дольки шпинделем усилия натяжения последнего передаются на конец двуплечего рычага. При этом другой конец рычага прижимает пружину и при достижении определенной величины создаются условия для соскальзывания хлопковой дольки с игл.
Питание электродвигателей 2 и 9 постоянным током осуществляется через выпрямитель переменного тока 19, смонтированный вместе с пускорегулирующей аппаратурой. Частота вращения электродвигателей регулируется бесступенчато реостатом и контролируется вольтметром. На стенде автоматически воспроизводится весь цикл работы шпинделя, а также движение хлопковой дольки, режимы которого регулируются микропереключателями 20, установленными в секторах 21 нижнего корпуса, получающими команды от вращающегося диска I.
Расчет годового экономического эффекта от использования машины, оснащенной экспериментальными шпинделями
Базовая машина на первом сборе собирает 1,39265 т/га /69,2%/ от общего урожая, 3,22 т/га первым сортом при 62,5%-ной раскрытии коробочек, цена которого равна: 738,1045 руб/га = 530x1,39265. На втором сборе собирает I,15437 т/га хлопка-сырца П сорта,стоимость его равна 519,466 руб/га = 1,15437 х 450. Остается на кустах и на земле 0,67298 т/га, которые принимаются по цене Ш и ІУ сорта, цена которого равна 195,16 руб/га = 0,67298 х 290.
При тех же условиях работы хлопкоуборочная машина с экспериментальными шпинделями на первом сборе собирала 1,4874 т/га /73,9%/ от общего урожая, а на втором сборе 1,178922 т/га. При этом стоимость собранного хлопка составила соответственно на первом сборе 788,322 руб/га = 1,4874x530, на втором 530,515 руб. = 1,178892 х 450.
Новая машина после первых двух сборов оставляла на кустах и на земле 0,55384 т/га, что составляет стоимость 160,061 руб/га = 0,55384 х 290.
Общая стоимость собранного хлопка-сырца с I га площади с участием базовой машины - 1452,73 руб., а новой 1479,36 руб/га. Следовательно, экономический эффект от изменения количества собранного хлопка с I га площади машиной, укомплектованной экспериментальными шпинделями, составит: А У = 1479,36 - 1452,73 = 26,63 руб/га. Годовая выработка машины Во на первом и втором сборе по 33,6 га = 120 х 0,28 = 90,8 х 0,37.
Подставляя полученные данные в (4.lJ, определим годовой экономический эффект на одну машину от применения шпинделя с рекомендуемыми параметрами - 1035,4 руб.
Приведенные исследования показали, что шпиндели с оптимизированной поверхностью не очищаются полностью от зеленой массы, что связано с недостаточной эффективностью очистки щеточными съемниками. С целью повышения эффективности очистки было предложено большое количество различных съемников-чистителей /90-92/, выполняющих функцию съемника хлопка-сырца со шпинделей и очистку их от налипшей зеленой массы. Одним из таких является съемник-чиститель с эла етичними трубчатыми рабочими элементами /93/, который, на наш взгляд, является наиболее работоспособным и перспективным.
Для проверки возможности дальнейшего повышения стабильности, работы хлопкоуборочных машин был принят этот съемник-чиститель, исследовалась его очистительная эффективность по сравнению со щеточным съемником на шпинделях диаметром 24 и 30 мм, высотой зуба 0,5; 1,0; 1,5; и 2,0 мм и шагом зубьев 2,0, 4,0 и 6,0 мм /94 /, при одинаковых производственных условиях.
На рис. 4.1-4.2 представлены изменения толщины слоя зелени на поверхности шпинделей, обрабатываемой двумя типами съемников в зависимости от шага расположения зубьев и при соответствующих значениях высоты зуба после обработки каждым вариантом шпинделей 1,5 га площади. Из этих рисунков видно, что эффективность очистки съемником-чистителем гораздо выше, чем щеточным съемником. Причем с увеличением шага зубьев от 2 до 4 мм, диаметра от 24 до 30 мм при прочих равных условиях эффективность первого увеличивается примерно в два раза и более. Поэтому можно утверждать, что применение шпинделей диаметром 30 мм и шагом расстановки зубьев 4 мм, а также съемника-чистителя повысит стабильность работы хлопкоуборочной машины.
Дальнейшее повышение стабильности качественных показателей работы хлопкоуборочных машин возможно также осуществить путем применения очистителей шпинделей от зазеленения непосредственно в технологическом процессе работы. В частности, может быть применена влажная очистка шпинделей с использованием барабана с эластичной поверхностью, размещенного параллельно шпиндельному барабану, контактирующего с ним и вращающегося в противоположную сторону /95 /.
