Содержание к диссертации
Введение
Глава І. Обзор литературных источников б
1.1. Анализ работ по процессам обмолота и прочности связи зерна с колосом . 6
1.2. Классификация и обзор конструкций молотильных аппаратов II
1.3. Пути снижения травмирования зерна в молотильном аппарате и задачи исследования 28
Глава 2. Методика экспериментального исследования нагруженности растительной массы 33
2.1. Идеализация геометрии растительной массы 34
2.2. Основы поляризационно-оптического метода исследования нагруженности массы 38
2.3. Методика обработки экспериментальных данных 51
Глава 3 . Структурная математическая модель растительной массы 62
3.1. Растительная масса как изотропная среда 62
3.2. Растительная масса как совокупность зерен и стержней 66
3.3. Балочная система растительной массы 77
3.4. Результаты расчета нагруженности элементов растительной массы 85
Глава 4 . Качественная оценка молотильного аппарата равномерного нагружения 99
4-.I . Исследования механических свойстврастительной массы 99
4.2. Расчет основных параметров молотильного аппарата равномерного нагружения. 104
4.3. Результаты испытаний экспериментального комбайна с молотильным аппаратом равномерного нагружения ИЗ
Глава 5. Технико-экономические показатели 129
Выводы 141
Литература 143
Приложение 153
- Классификация и обзор конструкций молотильных аппаратов
- Основы поляризационно-оптического метода исследования нагруженности массы
- Растительная масса как совокупность зерен и стержней
- . Исследования механических свойстврастительной массы
Введение к работе
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на .период до 1990 года [і, 2], а также в Продовольственной программе, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС [з], отмечена необходимость повышения качества сельскохозяйственной техники, в том числе зерноуборочных машин.
Анализируя работы различных авторов, необходимо отметить, что важную роль в процессе обмолота играет молотильный аппарат: уменьшение частоты вращения барабана ведет к повышению качества зерна и, как следствие, к уменьшению производительности молотильного аппарата и комбайна в целом.- Таким образом, возникает противоречие между требованиями технологии обмолота и технико-экономическими показателями комбайна.
Цель работы: изыскание путей снижения травмирования и потерь зерна при обмолоте на основе исследования напряженно-деформированного состояния элементов растительной массы. В соответствии с целью в работе решены следующие задачи: определены условия оптимального способа нагружения, обеспечивающего максимальный вымолот, минимальное повреждение зерна, повышение производительности; создана модель растительной массы, позволяющая определить усилия взаимодействия ее элементов в процессе обмолота. Результаты исследования проверены на комбайнах с экспериментальными молотильными аппаратами.
Объектами исследования являются растительная масса колосовых культур; ее физическая и математическая модели; рабочий орган молотильного аппарата, реализующий рекомендации и выводы исследования.
Научная новизна. Для определения усилий взаимодействия элементов растительной массы использован поляризационно-оптический метод. На основе физического и математического моделирования процесса обмолота найдены оптимальные условия нагрузкения растительной массы, позволяющие свести к минимуму потери и повреждение зерна, увеличить производительность.
Практическая ценность работы заключается в том, что определены оптимальные параметры нагружения растительной массы в молотильном аппарате; разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния растительной массы на основе физической и математической моделей, позволяющая проектировать молотильные аппараты с заранее заданными свойствами.
Методика качественной оценки обмолота зерновых культур на основе модели напряженно-деформированного состояния растительной массы принята к внедрению ГСКБ по машинам для уборки зерновых культур и самоходным шасси (г. Таганрог) при разработке перспективных зерноуборочных комбайнов. В учхозе ЧИМЭСХ внедрены комбайны с экспериментальными молотильными аппаратами равномерного нагружения. Экономический эффект на один комбайн в год составил 893 рубля.
Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях ЧИМЭСХ в 1977-83 гг., на научном семинаре кафедры механики сплошных сред Уральского государственного университета (г. Свердловск) в 1981 году. По результатам исследования опубликовано б печатных работ. Получено положительное решение по заявке 3295888/15 "Модель колоса" от 28 июня 1982 года.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и 13 приложений, изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 14 таблиц. Список использованной литературы содержит 93 наименования.
Классификация и обзор конструкций молотильных аппаратов
Обмолот растительной массы является результатом взаимодей - 12 ствия элементов массы с элементами молотильного аппарата, то есть взаимодействием системы материальных тел. Для наиболее полного и общего описания процесса взаимодействия тел необходимо использовать физические понятия, например, импульс силы, характеристиками которого являются длительность и величина [Ю]. Графически зависимость "нагрузка - время" между двумя взаимодействующими телами представлена на рис. I.I. Длительность импульса обозначена символом t , а величина импульса (площадь под кривой "нагрузка - время") показана штриховкой. Чтобы оценить длительность импульса, нужно ввести единицу измерения на шкале времени. Такой единицей может служить величина периода собственных колебаний системы ( Т ) Если уу » I , то нагружение называется квазистатиче ским. В противоположность квазистатическому существует динамическое нагружение, когда t и Т сравнимы. Известно [ю], что для сред со значительной диссипацией энергии при гармоническом нагружении граница между динамикой и квазистатикой сдвигается в область малых значений у [ . В случае нагружения растительной массы как среды с большим внутренним трением границу между динамикой и квазистатикой можно определить как yj = I. В данной работе предлагается проводить классификацию молотильных устройств по признаку: /Т Авторы работ [2.5; 48; 54; 95] при выработке классификатор-ных признаков использовали характерные внешние черты процесса обмолота, не рассматривая глубоко ф и з и к у явления. В реальных молотильных аппаратах максимальное значение нагрузки Ртах на растительную массу лежит в определенных границах: нижняя - определяется максимальным усилием, необходимым для разрушения связи зерна с колосом, верхняя - минимальное зна ІЗ / Длитель ность -Те чение усилия травмирования зерна. Таким образом, для управления качественными характеристиками процесса обмолота мы можем пользоваться лишь временем t Если у у , то в растительной массе возникают колебания, приводящие к резкому увеличению контактных усилий между зернами за счет динамических (волновых) явлений, что может привести к увеличению травмирования зерна. Если /Т 1 » то волновых явлений практически не возникает. Процесс нагружения является почти статическим, что ведет к более равномерному нагружению массы и, как следствие, к снижению травмирования при полном вымолоте.
Грек А.И. [25], Терсков Г.Д. [79] и др. показали, что в молотильных аппаратах барабанного типа имеют место волновые (колебательные) процессы, то есть нагружение растительной массы динамическое. Длительность импульса t может быть вычислена для любой конструкции молотильного аппарата: она связана со скоростью движения растительной массы, расстоянием между планками подбара-банья и др. Период собственных колебаний Т необходимо определять экспериментально (что связано с серьезными трудностями) либо рассчитывать. При свободных колебаниях слоя толщиной К , имеющего модуль упругости Е и плотность Р , ограниченного недеформируемы-ми плоскостями, первая круговая частота колебаний может быть вычислена по формуле которая аналогична формуле для продольных колебаний защемленного стержня [10}. Тогда период колебаний Т определится следую - 15 щим образом: Т= &- или Т= 2h Для растительной массы (пшеница "Саратовская-29"), находящейся на входе в молотильный аппарат, Р = 0,35 г/см3, а Е 0,7 МПа. Значение модуля упругости получено так: r_ d? с - " при С =0, где Р - давление, прикладываемое к растительной массе; - относительное сжатие массы. Зависимость р - р и р - приведены в главе 4. Толщина растительной массы на входе в молотильный аппарат колеблется в пределах 10-20 см, тогда Р( = 700...1400 рад/с или НО...220 Гц и период Т = 0,01...0,005 с
В молотильных аппаратах барабанного типа протяженность импульса удара от решет подбарабанья составляет: VcK где L - расстояние между планками подбарабанья ( 2 см); VCK - скорость скольжения растительной массы по подбара-банью (в четыре-пять раз [48] меньше скорости вращения барабана Vtf = 20 м/с). Тогда t = 0,02/4 = 0,005 с, что совпадает с периодом свободного колебания растительной массы. Это приводит к существенной динамичности процесса обмолота. Малое время нагружения t характерно для всех билъных молотильных аппаратов с решетчатыми подбарабаньями. Предлагаемая классификация по параметру yj , как было уже сказано выше, является наиболее общей, в то время как дру - 16 гие способы классификации рассматривают лишь частные стороны процесса обмолота. Например [25], по типу подачи растительной массы; по характеру воздействия рабочего органа на связь зерна с колосом (удар, удар с вытиранием, Крахалев А.Н. [4-8]); по характеру нагружения массы: мгновенно-сосредоточенное, сосредоточенное и ударное с перемещением рабочего органа во времени (Грек А.И. [25]) и др. Классификация молотильных аппаратов, а точнее, сравнение классификаторных признаков различных молотильных аппаратов позволяет выяснить направление совершенствования конструкций молотильных аппаратов. Предложенная общая классификация позволяет, не рассматривая частностей, указать на необходимость увеличения времени воздействия рабочих органов на растительную массу. Другие типы классификации поле-зны тем, что детализируют анализ и позволяют выяснить характерные внешние черты молотильного аппарата. Например, классификация по Крахалеву А.Н. позволяет заключить, что наиболее перспективным способом воздействия на растительную массу является давление с перетиранием [53].
Основы поляризационно-оптического метода исследования нагруженности массы
Исследование нагруженности растительной массы производится на натуральном объекте-снопе, который пропускают через молотильный аппарат. Это не дает возможности получить объективные данные о распределении усилий травмирования зерновой массы, так как нельзя в таких условиях использовать датчики или приборы для получения картины силового поля. На наш взгляд, эту задачу можно решить, применяя вместо натуральной растительной массы искусственные объекты, приспособленные для каких-либо методов испытания и контроля. Такими объектами могут быть модели (макеты) растительной массы или ее элементов (колосьев). Для этой цели нами предложен поляризационно-оптический метод исследования напряжений при моделировании растительной массы [б2]. По определению [б2] поляризационно-оптический метод исследования напряжений или метод фотоупругости - это экспериментальный метод решения (моделирования) задач механики деформируемых сред. Известно несколько направлений механики деформируемых сред: теория упругости, теория ползучести, теория пластичности, термоупругость, волновая механика (волны напряжений в твердых телах) и др. Метод фотоупругости также подразделяется на несколько направ - 39 лений: статическая фотоупругость, фотоползучесть, фотопластичность, термофотоупругость, динамическая фотоупругость. Поляризационно-оптический метод отличается высокой точностью, наглядностью, сочетающимися с минимальными затратами времени и средств, необходимых для проведения исследований. К настоящему времени методом фотоупругости проведено решение широкого класса инженерных проблем, имеющих большое практическое значение. Б нашей стране в гидроэнергетике практически все наиболее ответственные сооружения в процессе проектирования или строительства испытываются на моделях методом фотоупругости.
Однако при исследовании нагруженности элементов растительной массы этот метод не использовался, тогда как перспектива его успешного применения весьма велика. Исследование напряжений методом фотоупругости в "классической" постановке, т.е. при действии постоянных нагрузок и при условии работы материала модели (и натуры) в пределах упругости, осуществляется достаточно просто. Модель изготовляется из оптически чувствительного материала геометрически подобной натурной конструкции и нагружается силами, подобными действующим в натуре. Нагруженная модель просвечивается поляризованным светом. При этом в полярископе (рис. 2.2) наблюдается картина интерференционных полос (рис. 2.3). Полосы представляют собой изолинии разности главных напряжений. Связь между порядком интерференционной полосы (171 ) и разностью напряжений ( б 6% ) описывается законом Вертгейма: 6А - 62 = m 60(tJ (2.1) Величина &Q - цена полосы моделей - определяется тарировкой. На контуре, свободном от нагрузки, разность главных напряжений вырождается в одно из главных напряжений. Кроме картины полос на экране полярископа можно наблюдать и фиксировать поле изоклин-равных углов наклона fi площадок главных напряжений.
Тогда в каждой точке моделей касательное напряжение равно ,(t) = Sin 21 (2.2) Для определения компонентов тензора напряжений во внутренних точках модели (разделение напряжений) численными методами при известных граничных условиях интегрируется дифференциальное уравнение равновесия эх + Г"и {г 3) где величина Иху определяется по формуле (2.2), бх и бу получается в результате численного интегрирования. Б условиях плоской задачи при заданных внешних нагрузках напряженное состояние односвязного (конечного) тела зависит только от его формы и размеров и не зависит от материала, из которого это тело изготовлено. Переход от полученных напряжений в модели 6м к напряжениям в натуре оц осуществляется по формуле где Рц , Рм , 6н»м - соответственно нагрузки и геометрические размеры модели и натуры. В настоящей работе метод фотшупругости используется в основном для определения усилий взаимодействия элементов хлебной массы. Например, контактное усилие N между зернами (рис. 2.4 а) определяется по порядку полосы в точке А, находящейся на расстоянии П. от места приложения силы N ( \\ = 2 мм). Тарировочный график "усилие N - порядок полосы m » построен на рис. 2.4 б. Этот график используется ниже при обра - 43 Рис. 2.4 а. Картина полос вблизи точки контакта двух зерен Q6 0, о т Рис. 2.4 б. Зависимость прикладываемой нагрузки ( N ) от числа полос ( ГП ) в точке А (рис. 2.3) - 44 ботке экспериментальных данных. Ошибка измерений не превосходит ± 10 %. Получение экспериментальных данных о нагруженности растительной массы при обмолоте производится на устройстве, которое содержит плоские макеты зерен и стержни колоса, соединенные между собой гибкими элементами и выполненные из эластичного синтетического материала, обладающего двойным лучепреломлением. Выбор плоской модели сделан, исходя из условий воздействия рабочих органов молотильного аппарата на растительную массу в точках, лежащих на одной поперечной линии относительно растительной массы неограниченной длины. Исходя из этих соображений, достаточно провести эксперимент на плоской модели продольного сечения испытуемого тела - растительной массы 88].
Растительная масса как совокупность зерен и стержней
Рассмотрим плоскую систему тел (эллипсов), моделирующую расположение зерен в колосе [і2; ІЗ] . Введем прямоугольную систему координат в плоскости ХОу (рис. 3.3). Уравнение эллипсов записывается в виде Q2 + "р 1 С3 3) где Q и 6 полуоси. На модель наложены условия: а) эллипсы абсолютно твердые и одинаковые по форме; б) они шарнирно прикреплены к стержню. На одно из тел действует единичная сила Р , которая может изменять точку приложения и угол воздействия. Необходимо определить величину силы, которая передается на опору R и величину силы N , с которой данное тело действует на второе при основных постулатах механики твердого тела. Приложим к первому телу усилие Р под некоторым углом L к большой оси эллипса. _ Следует заметить, что величина вектора R - это усилие обмолота, а величина нормали N - усилие травмирования зерен при контакте. м = р (а ч-Хр) cosol+UpStnot , . (Q + Х„) C0SJ3 + aN SIHJ4 R- V P2 N2-2PNsin( Jb) , (3.5) где Рис. 3.3. Модель распределения зерен в колосе - 68 Q - большая полуось эллипса; и - малая полуось эллипса; Хр, Ур - координаты точки приложения силы Р; Хы, У(4 - координаты точки касания двух соседних зерен; Л - угол между направлением силы Р и большой осью эллипса; f - угол между касательной, проведенной в точке С (У , У) и положительным направлением оси ОХ. На ЭВМ были определены значения N и R при следующих условиях: Р = I (условная единица), а =3,45 мм, 8 =1,55 мм, о= 0, 20, 40, 60, ..., 180, Хм = О, I, 2, 3, Хр =-3,-2, -I, О, I, 2, 3. Если предположить, что Р принимает значениеtравное одной условной единице, то Отсюда видно, что на шестое тело передается усилие, равное всего 0,007.
Результаты расчета, проведенного по данной модели с целью определения характера изменения нормальных усилий и реакций опор при приложении единичной силы Р к начальному элементу при изменении угла воздействия d , представлены на рис. ЪА. N имеет зону оптимальных значений в промежутке 50 г. Л - ПО0, а изменение реакции опор имеет периодический характер. Зона наибольших значений R находится в промежутке 130 а(. - 180. Изменение передачи нормальных сил N{ и реакций опор Ri каждого последующего тела имеет монотонно убывающий характер (рис. 3.5). Представленные графики дают возможность проследить изменение контактных усилий между элементами вдоль оси колоса. Представляет интерес схема передачи сил на каждое последующее тело по вертикали в плоскости сечения. Для этой цели рассмотрим в предложенной модели второй слой элементов. Для одинакового положения точек Nj и Ist+zj соответствующие векторы W\ \ и Ri-fi имеют длины, которые выражаются через модуль вектора N0 [823 INI+1I = INol KM , (3.12) J No » J Ko Р Мо - углы между соответствующими векторами Wo , Ко , Мо (нормальные реакции в точках соприкосновения двух тел) и положительными направлениями осей абсцисс. Величины остальных векторов NVM , МІ+І , Ki+i , І 6 о находятся по реккурентным соотношениям Nu, sinpuJM +КІЧЛ1 sinJbKi+i +1МнІslnjWi» =KHcos(e ,+2h+Ni5injiN; , =lR slri(9o- 2Jr) + iN;t cospN;, (3 I7) - 76 NHl [(a + Xnfcj cosJV +i - y -sm ] + +IMi4i[(a+xMi+1)-cosjiM + yMivStnjiM ] = =Nil[(a + xNi) cosjiN; + умі -sinjJHi ] Решив систему (3.17) для каждого элемента на основании системы (3.16), получим закон распределения сил Р во втором слое. Аналогично получим формулы для подсчета значения контактного усилия (усилия травмирования) и реакции опоры (или усилия в плодоножках - усилия обмолота) относительно любого элемента растительной массы. Расчеты по определению нагруженности элементов растительной массы невозможно проводить (для данной модели) без использования ЭВМ. Были составлены соответствующие программы, реализующие рассмотренную выше модель растительной массы. Для частичного случая нагружения (Р = I, d - 60) получены распределение контактных усилий и усилий в плодоножках для растительной массы, состоящей из трех колосьев. Сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными показывает, что весьма сложная модель, рассмотренная в данном параграфе, не обеспечивает адекватного описания процесса нагружения. Кроме того, распределение контактных нагрузке ний по глубине растительной массы незначительно отличается от соответствующего распределения для модели массы как изотропной среды.
. Исследования механических свойстврастительной массы
Под механическими свойствами материала обычно понимаются его упругие и прочностные свойства. В рамках данной работы понятием "механические свойства" мы ограничим круг свойств растительной массы, касающхся деформирования и разрушения ее элементов, другими словами, при нагружении растительной массы мы будем анализировать кривые Р-Д с , где Р - усилие, прикладываемое к массе, д К - изменение ее линейного размера в направлении приложения усилия Р , а также будут оцениваться характеристики травмирования зерен при нагружении.
В молотильных аппаратах практически любых типов осуществляется предварительное динамическое нагружение растительной массы с последующим перетиранием ее с целью освобождения зерен от чешуи и прочих связей с колосом. Нами рассмотрено поведение растительной массы на примере пшеницы "Саратовская-29" при квазистатическом нагружении. Приложение нагрузки к растительной маесе осуществлялось по следующей схеме: масса (200+J0) 2 нагружалась на испытательной машине марки ИМЧ-30 до нагрузок Р = 2, 4, б, 8, 12 тонн. На каждом уровне нагрузки г было сделано по три опыта.
Цель этих испытаний состояла в определении зависимости Р-дР (рис. 4.1) и Р - Р , где Р - плотность растительной массы (кг/ьг), р - давление, определяемое как P/F ( F площадь сечения массы перед сжатием). Функция р -лс на рис. 4.1 имеет вид крутовосходящей кривой. На рис. 4.2 приведена кривая Р - р , которая используется ниже. Начальная жесткость растительном массы чрезвычайно мала и может считаться нулевой в практических расчетах. Заметная жесткость приобретается с деформации л Р/ Со 50 % ( Р0 начальная высота слоя). Для удобства проведения расчетов в последующих параграфах кривая р - р аппроксимирована зависимостью / =200Р +550, ([рЬМПа, [р]=$). ( « в которой найденные константы обеспечивают минимальное средне-квадратическое отклонение от экспериментальной кривой [5]. Кривую р-дС можно преобразовать к виду р - , где = А Е/ Ро а р определено выше. Экспериментальная кривая Р приведена на рис. 4.3 сплошной линией. Прерывистой линией показана аппроксимация экспериментальной кривой функцией вида: Для обоснованного назначения параметров молотильного аппарата необходимо иметь прочностные характеристики элементов расти-тельной массы, в частности, связи зерна с колосом, а также самих зерен. Одним из важных показателей процесса обмолота является дробление зерна. По требованию ГОСТ дробление V) - 2 %. Поэтому при исследовании механических свойств массы были определены также зависимости W p и микроповреждения (М) от давления ( р ). Эти функции представлены на рис. 4.4 и в табл. 10. Таблица 10 Статическое нагружение растительной массы На- Невымолот,% Дробление,% Микроповреждение Всего грузка выбит зародыш,% повреждение зародыша, % повреждение эндосперма, % повреждений,% При квазистатическом нагружении наблюдается полное отделение зерна от колоса даже при нагрузке 0,47 МПа. Однако зерна удерживаются чешуями. 4.2. Расчет основных параметров молотильных аппаратов равномерного нагружения Анализ нагруженности растительной массы, проведенный в третьей главе диссертации, показал, что молотильный аппарат должен обеспечить равномерное нагружение всех зерен верхнего колоса растительной массы. На рис. 4.5 показаны конструктивные схемы молотильных аппаратов такого типа, которые удовлетворяют вышеуказанным требованиям. Изменение молотильного зазора приводит к изменению нагрузок на зерна верхнего колоса. Однако в пределах 10-15 зерен этим изменением можно пренебречь, так как длина зоны обмолота достаточно велика.
На схеме I (рис. 4.5) показан молотильный аппарат барабанного типа с резиновым покрытием и гладким металлическим подба-рабаньем. Постепенное уменьшение молотильного зазора обеспечивает увеличение нагрузки на растительную массу. Основной недостаток данной схемы заключается в том, что в этом аппарате недостаточная длина рабочей зоны для квазистатичности нагружения и, как следствие, малое время воздействия на растительную массу. Кроме того, металлическое подбарабанье будет травмировать зерна и увеличивать процент дробления. Схема П (рис. 4.5) иллюстрирует конструкцию молотильного устройства равномерного нагружения с клиновым молотильным зазором. Клиновидный молотильный зазор обеспечивает большую произ - 105 Рис. 4.5. Кинематические схемы молотильных аппаратов равномерного нагружения. I - резина; 2 - металл; 3 - гладкое под-барабанъе; 4 - резиновая лента; 5 - опорные ролики; б - вальцы - 106 водительность молотильного аппарата и легкое регулирование производительности за счет скорости вращения, утла клиновидности и величины зазора на входе в аппарат. В таких аппаратах можно произвести: постепенное нагружение за счет изменения входного зазора; проворот зерна для выделения из чешуи за счет разности скоростей. Ниже будет рассмотрена лишь вторая схема. К проектным параметрам аппарата следует отнести размеры частей и всего аппарата в целом, величины скоростей движения бесконечных лет, энергоемкость аппарата при условии, что дробление 15 — 2 %. Расчетная схема молотильного аппарата равномерного нагруие-ния с клиновым зазором представлена на рис. 4.6, где не показаны криволинейные части бесконечных лент, вальцы и опорные ролики. Размеры, относящиеся к неуказанным элементам, рассчитывались по методике, предложенной Долговым И.А. и Васильевым Г.К. [28]. Выходной зазор молотильного аппарата Кк выбирается на том основании, чтобы при подборе тонких валков или даже отдельных колосьев происходило обмолачивание, то есть Вк должен быть близок к наименьшему габаритному размеру одного зерна. В данной схеме принято Кк = 2 мм.
