Содержание к диссертации
Введение
I.ГЛАВА I. Обоснование направления исследований процесса скашивания трав
1.1. Анализ процесса скашивания трав и технических средств для его осуществления ... 9
1.2. Обзор результатов исследований процесса скашивания трав и обоснования конструктивно-технологических параметров ротационных режущих аппаратов 18
1.3. Задачи исследований 28
2. ГЛАВА 2. Теоретическое исследование процесса скашивания трав и обоснование технологических параметров ротационного режущего аппарата с пониженной скоростью ножей
2.1. Технологические особенности бесподпорного среза и влияние на его параметры физико-механических свойств растений 29
2.2. Обоснование оптимальных кинематических параметров ротационного режущего аппарата 43
2.3. Уменьшение энергозатрат при подпорном срезе за счет наклона ножа 67
2.4. Влияние взаимодействия растений с ротором на показатели энергоемкости процесса скашивания... 77
2.5. Методы снижения потерь урожая при скашивании трав косилками с ротационным режущим аппаратом 82
2.6. Обоснование оптимальных конструктивно-технологических параметров противорежущей части ротационно-пальцевого режущего аппарата 91
2.7. Баланс затрат мощности на процесс скашивания трав косилкой с ротационным режущим аппаратом 101
2.8. Выводы по второй главе 103
З.ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований и расчет конструктивно-технологических параметров ротационно-пальцевого режущего аппарата
3.1. Программа экспериментальных исследований ...107
3.2. Методика исследований физико-механических свойств растений .108
3.3. Методика определения значений показателей энергетической оценки и качества процесса скашивания трав и обработки экспериментальных данных 113
3.4. Экспериментальная установка для определения значений параметров процесса скашивания трав ротационными режущими аппаратами 118
3.5. Влияние физико-механических свойств растений на показатели качества и энергетической оценки процесса скашивания 129
3.6. Зависимость показателей качества среза растений
от параметров ротационного режущего аппарата 135
3.7. Влияние скорости ножей на показатели энергетической оценки скашивания трав 140
3.8. Баланс мощности процесса скашивания трав агрегатами с экспериментальным ротационно-пальцевым и серийным ротационными режущими аппаратами 149
3.9. Расчет и выбор основных конструктивно-технологических параметров ротационно-пальцевого режущего аппарата 156
3.10. Выводы по третьей главе... 161
ГЛАВА 4. Технико-экономическая эффективность процесса скашивания трав ротащонно-шльцевым аппаратом
4.1. Технико-экономическая оценка скашивания трав экспериментальной косилкой .164
4.2. Технический уровень косилки с ротационно-пальцевым режущим аппаратом 168
4.3. Внедрение результатов исследований 168
Общие выводы 172
Список основной использованной литературы 174
Приложения 183
- Анализ процесса скашивания трав и технических средств для его осуществления
- Технологические особенности бесподпорного среза и влияние на его параметры физико-механических свойств растений
- Методика исследований физико-механических свойств растений
- Технико-экономическая оценка скашивания трав экспериментальной косилкой
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС перед агропромышленным комплексом страны ставится задача коренного улучшения кормопроизводства, для решения которой с одной стороны будут расширены посевы кормовых трав, а с другой - увеличен выпуск кормоуборочной техники [i] . На Украине в XI пятилетке планируется довести производство кормов до 90...92 млн. т кормовых единиц в год [ 2 ] . Одновременно Продовольственной программой предусматривается снижение потерь кормов и экономия энергии на технологических операциях Цз] .
Первой ответственной и важной операцией в заготовке кормов является скашивание трав, которое требуется провести качественно и в сжатые сроки. Условия скашивания трав усложняются также большой площадью сенокосов и кормовых культур, достигших в нашей стране 100 млн. га.
Процесс скашивания трав традиционными сегментно-пальцевыми режущими аппаратами с возвратно-поступательным движением ножа не всегда удовлетворяет требования периода интенсификации сельского хозяйства, характеризующегося увеличением производительности труда и урожайности трав до 300 ц/га. На высокоурожайных травах сег-ментно-пальцевые режущие аппараты часто забиваются, при полегании травостоя, что характерно для высокоурожайных трав, существенно увеличивается высота среза растений, недостаточна также их надежность работы на полях, засоренных инородными предметами.
Поэтому находят применение высокопроизводительные и надежные в работе ротационные режущие аппараты. В них возвратно-поступательное движение ножей с нежелательными знакопеременными динамическими нагрузками заменено более эффективным - вращательным. Производительность ротационных режущих аппаратов возросла за счет увеличения их поступательной скорости до 5 м/с, что стало возмож-
ным благодаря высокой скорости ножей, достигающей 60...100 м/с. Шарнирный подвес ножей, отклоняющихся при встрече с препятствием, позволил повысить надежность работы ротационного режущего аппарата. Однако использование ротационных режущих аппаратов на кормо-уборочных машинах ограничивается наблюдаемыми за ними повышенными энергозатратами и потерями урожая в виде измельченной травы. Если производительность косилок с ротационным режущим аппаратом выросла в среднем на 25 %, то потребляемая мощность и потери уро-жая увеличились примерно в 2 раза по сравнению с сегментно-паль-цевыми косилками, т.е. на каждый процент прироста производительности затрачивается четыре процента мощности, что свидетельствует о нерациональном расходовании энергии при скашивании трав ротационными аппаратами. Устранение этих недостатков ротационных режущих аппаратов позволило бы получить при современных обьемах кормозаготовок существенную экономию энергии и прибавку сбора урожая. Все это указывает на необходимость изыскания путей повышения технологической эффективности режущего аппарата ротационных косилок на скашивании трав.
Целью диссертационной работы является снижение энергозатрат и потерь урожая при скашивании трав ротационными косилками за счет усовершенствования и обоснования оптимальных скоростных режимов работы и конструктивно-технологических параметров режущего аппарата.
В диссертации изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований показателей энергетической оценки и потерь урожая в виде измельченной травы процесса скашивания трав косилками с ротационным режущим аппаратом. Обоснована рациональная конструктивно-технологическая схема и оптимальные параметры ротационного режущего аппарата с пониженной скоростью ножей, предложена методика их выбора и расчета. Указана реализация ре-
зультатов исследований и экономическая эффективность их применения.
На защиту выносятся зависимости энергозатрат и потерь урожая в виде измельченной травы от режимов работы и параметров ротационных режущих аппаратов косилок, оптимальные технологические параметры ротационного режущего аппарата с пониженной скоростью ножей а также методика расчета и выбора его основных конструктивно-технологических параметров.
Диссертация выполнена в Украинском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (УШШМЭСХ) за период с 1979 по 1982 год в соответствии с планами НИР лаборатории механизации заготовки кормов на 1979...1982 гг. (проблема 0.51.04).
Работа изложена на 205 страницах, содержит 58 рисунков, 15 таблиц, 90 наименований использованной литературы, из которых II на иностранном языке, и 10 приложений.
Производственная проверка процесса скашивания трав ротационной косилкой с пониженной скоростью ножей была проведена в совхозе "Хотовский" Киево-Святошинского района Киевской области.
Результаты исследований внедрены на заводах сельскохозяйственного машиностроения им. Ухтомского г. Люберцы Московской области и 1-го Мая г. Белая Церковь Киевской области.
По теме диссертации опубликовано 9 статей и получено 4 авторских свидетельства, сделано 3 доклада на научных конференциях.
Анализ процесса скашивания трав и технических средств для его осуществления
Процесс скашивания с точки зрения уборки трав характеризуется сроками уборки, высотой среза и потерями урожая. Согласно агротехническим требованиям на скашивание трав, оптимальная высота среза не должна превышать 6 см, разрывы и заломы могут наблюдаться не более чем в 20 % срезанных стеблей, а потери урожая не должны превышать I % [ 54] . Поэтому, в соответствии с поставленной целью работы, будем оценивать процесс скашивания и технические средства для его осуществления в первую очередь по энергозатратам и потерям урожая в виде измельченной массы. Кроме того, при выборе модели косилки целесообразно учитывать ее производительность, от которой зависят металлоемкость и конструктивные особенности. Для сравнения обьектов с отличающимися параметрами, например, шириной захвата, используют удельные показатели. Они определяются по ОСТ 70.8.2-74 на испытание косилок и косилок-плющилок. Такой подход при выборе объекта исследований будет способствовать повышению научной и практической ценности работы.
Поскольку параметры процесса скашивания зависят в основном от того, каким режущим аппаратом он осуществляется, то проведем их анализ на примере косилок, у которых режущий аппарат является основным рабочим органом.
Для энергетической оценки операции процесса скашивания разделим на активные, т.е. такие, на выполнение которых используют активные рабочие органы, обычно более энергоемкие, и на пассивные. Как показывает проведенный анализ процесса скашивания трав различными типами режущих аппаратов, активные операции превали ругот, и особенно в ротационных режущих аппаратах (табл. І.І). Повышенные затраты мощности требуют увеличения прочности режущего аппарата, что, обычно, влечет за собой увеличение металлоемкости процесса.
Показатели оценок процесса скашивания трав зависят в основном от параметров ротационных косилок. Поэтому проанализируем эти параметры.
Производство ротационных косилок возрастает. В настоящее время в мире серийно выпускается более 250 модификаций ротационных косилок 19, 83, 89] , которые находят применение и на самоходных кормоуборочных машинах. Фирма Звеегерс, например, за 1979 год выпустила 24 тыс. ротационных косилок, 87 % которых идет на экспорт [82] .
Быстрое развитие и внедрение косилок с ротационными режущими аппаратами обеспечили, по нашему мнению, их высокая рабочая скорость, производительность и надежность по сравнению с аппаратами, имеющими устройство ВЦЦН (табл. 1.2) [ 5, 34, 65] .
Производство ротационных косилок налажено практически во всех технически развитых странах Европы и США. Ротационные косилки выпускают как в навесном, так и прицепном вариантах [82, 89] .
Проведенный анализ показывает, что для привода обычно используются ВОМ трактора с частотой вращения 54 рад/с, реже -100 рад/с (приложение I). Конструкция некоторых косилок позволяет работать как на первой, так и на второй частоте вращения ВОМ. Ширина захвата находится в пределах 1,35...3,2 м, а в отдельных случаях достигает 6 м. Все модели ротационных косилок могут работать на поступательных скоростях 3...5 м/с и потенциальные возможности в направлении их повышения далеко не исчерпаны. Производительность выше у тех косилок, которые имеют боль шую рабочую скорость и ширину захвата, и в зависимости от модели колеблется от 1,7 до 4,6 га/ч.
Потребляемая мощность косилок имеет величину 20...44 кВт, что в 2...3 раза выше, чем в косилок с конструкцией ВПДН. Это в свою очередь требует увеличения прочности деталей. Прочность обеспечивается, как правило, за счет увеличения размеров и массы деталей косилки. Поэтому ротационные косилки обладают массой 315...570 кг, что в 2...3 раза больше массы косилок с устройством ВПДН, на перемещение которой требуются дополнительные затраты энергии.
Удельные показатели, характеризующие І м ширины захвата отечественной ротационной косилки КРН-2,1, ниже лучших зарубежных образцов, к которым можно отнести модели BGD -2-100 и BGD -2-500, выпускаемых фирмой ZQQO (Цата). Так, затрачиваемая удельная мощность косилки КРН-2,1 по сравнению с BGD -2-100 на II % выше, удельная производительность на 15 % ниже, а удельная масса в 2,3 раза больше. У косилки с верхним приводом по сравнению с нижним, удельная масса выше в 1,7...2,3 раза. Как показывает анализ косилок фирмы "Цата", этот показатель можно снизить за счет увеличения ширины захвата.
Технологические особенности бесподпорного среза и влияние на его параметры физико-механических свойств растений
За период эволюции растение приобрело свойства сопротивления внешним естественным воздействиям в виде ветра, дождя и т.д. Тогда оно должно быть способным также накапливать и рассеивать в окружающую среду механическую энергию, полученную при срезании ножом.
При воздействии ножа растение иногда вырывается с почвы, повреждается корневая система, ухудшаются условия отрастания. Поэтому целесообразно определить, какие усилия и деформации возникают в стебле при бесподпорном срезе, их вид и величину. Это позволит выбрать такие воздействия ножа, при которых потребуется меньше затрат мощности на срезание и уменьшить усилия, действующие на корневую систему.
Для определения условий осуществления бесподпорного среза рассмотрим стебель А (рис. 2.1), представленный в виде стержня, в плоской декартовой системе координат. На основании принципа Даламбера можно записать уравнение динамического равновесия стебля в проекциях на оси координат: ЗІ от изгиба стебля; Т - продольная сила инерции стебля; OL С t» угол отклонения продольной оси инерции отсекаемой части стебля от вертикального положения; Q - усилие сопротивления корня стебля; 6о - угол отклонения комлевой части стебля от вертикали. Рассмотрим влияние сил, входящих в уравнение (2.1), на параметры процесса среза. Усилие среза можно выразить через показатели механических свойств стебля: P-l6pdSCf (2.2) где б л - нормальные напряжения; uJc - дифференциал площади поперечного сечения стебля.
Поскольку нормальные напряжения не зависят от места выбора элемента поперечного сечения стебля, то выражение (2.2) можно представить следующим образом: Р = бр Sc, (2-3) где ос - площадь поперечного (живого) сечения стебля.
Уравнение (2.3) справедливо в предположении, что разрушение стебля происходит от превышения допустимых нормальных напряжений. Преобладание касательных напряжений позволяет усилие среза выразить в виде соотношения (2.4): P=TpSc , (2.4) где Тр - касательные напряжения.
Допустимые касательные напряжения для большинства материалов обычно меньше нормальных. Сравнение уравнений (2.3) и (2.4) показывает, что, с точки зрения уменьшения усилий среза, в растении целесообразно возбуждать касательные напряжения. Усилие сопротивления срезу от продольных сил инерции стебля где ( - время; / - продольная скорость перемещения стебля.
Первый член правой части уравнения (2.5) представляет собой усилие, необходимое для поддержания данной скорости перемещения стебля, масса которого в процессе среза увеличивается (обычно эту массу называют приведенной). Второй член уравнения равен усилию, затрачиваемому на сообщение ускорения стеблю. Если процесс бесподпорного среза разделить на два этапа, то первый член правой части уравнения (2.5) характеризует этап увеличения приведенной массы стебля, а второй - ускорение этой массы.
Выясним значимость первого члена. Скорость увеличения приведенной массы стебля зависит от скорости распространения упругих волн в материале. Скорость распространения продольных упругих волн
Методика исследований физико-механических свойств растений
При проведении теоретических исследований возникла необходимость определить площадь поперечного сечения и высоту стеблей, распределение массы растений по высоте и модуль упругости.
Исследования физико-механических свойств растений проводились в основном на люцерне влажностью 77...78 % в фазе цветения, т.к. именно люцерна является одной из трудноубираемых трав из-за высокой урожайности и склонности к полеганию.
Площадь поперечного сечения вычисляли с использованием замеров диаметров стеблей. Диаметры стеблей исследуемых растений на высоте среза определялись путем замера штангенциркулем в двух взаимоперпендикулярных плоскостях в пяти сечениях и для расчетов брались средние величины, что позволило получить коэффициент вариации не превышающий 7 %. Среднестатистическая высота растений определялась в соответствии с ОСТ 70.8.2-74, путем трехкратной повторности измере ний пятидесяти стеблей.
Для определения распределения массы по высоте стебля растения перерезались на частицы длиной 10 см (на такую величину распространяются упругие волны за время среза). Начиная с комлевой части, порции стебля поочередно взвешивались и результаты взвешиваний статистически обрабатывались.
Модуль упругости является одним из основных показателей физико-механических свойств различных материалов и, в том числе, стебельчатых растений. В нашей работе он используется при определении собственных частот, периода и скорости колебаний растений, скорости распространения упругих волн в стебле.
Определение модуля упругости велось методом изгиба стеблей, которое теоретически обосновывается следующим образом. Представим испытуемую часть стебля в виде прямой, защемленной одним концом балки (рис. 3.1) с одинаковым круглым поперечным сечением по всей длине. Тогда прогиб стебля
Величины, входящие в правую часть расчетного уравнения определялись на установке (см. рис. 3.1), состоящей из весов I, на шальке которых закреплена призма 2, штатива 3 с мерной линейкой и передвижным стебледержателем 4.
При опытах стебель 5 одним концом крепился в стебледержате-ле, устанавливаемым на высоте, когда другой конец стебля касался призмы. Затем опускали стебледержатель вниз через небольшие интервалы и записывали при каждом фиксированном положении высоту установки стебледержателя и показания весов. По величине усилие изгиба равно показаниям весов, а прогиб определялся по соотношению: где T и J высота опускания стебледержателя и призмы соот ветственно при данных показаниях весов. Каждая из остальных величин, характеризующих геометрические размеры стебля, определялась как среднеарифметическое значение трехкратных измерений.
Для определения усилия изгиба использовались электрические весы ВЛТК-500, пределы измерения которых 0,001...5 Н, а в качестве штатива с линейкой - штангенциркуль, к подвижной губке которого крепился испытуемый стебель. С целью исключения концентрации напряжений в месте крепления конец стебля равномерно и без натяжения обворачивался ниткой и этим же концом закреплялся на стеб-ледержателе. включающей ротационные косилки - отечественная КРН-2,1 и западногерманская КМ-22, а также динамометр.
Порядок определения коэффициента следующий. На диски косилки, вращающиеся встречно, укладывались переплетенный исследуемый материал, который соединяли гибким тросом через динамометр с жестким упором. Дискам роторов задавалась необходимая частота вращения посредством двигателя трактора, с которым агрегатирова-лась испытуемая косилка. При проведении опыта регистрировались показания величин, входящих в формулу вычисления динамического коэффициента трения: /-- где пт - усилие трения, регистрируемое динамометром; WT -масса травы на дисках.
Скорость ножей соответствующая данному динамическому коэффициенту трения, вычислялась по соотношению
Диаметр ротора замерялся по внешним концам ножей.
Частота вращения роторов косилки КРН-2,1 с нижним приводом измерялась механическим тахометром ТЧЮ-Р, а косилки КМ-22 с верхним приводом - электрическим тахометром ТЭ-204Т. Применение двух типов тахометров предопределено простотой их соединения с роторами. Погрешность измерений частоты вращения не превышала 3 %.
Как установлено теоретическими исследованиями при бесподпорном срезе в растениях возникают свободные колебания. Их амплитуда по мере сближения вынужденных и собственных частот колебаний увеличивается. Пропорционально квадрату амплитуды растет и величина накопленной растениями энергии, полученной от закреп ленного на роторе ножа. Величина амплитуды колебаний стебля в свою очередь прямопропорционально зависит от коэффициента динамичности. Поэтому определение коэффициента динамичности позволяет произвести оценку запасаемой растением энергии.
Технико-экономическая оценка скашивания трав экспериментальной косилкой
Сравнение технических и эксплуатационно-технологических данных экспериментальной ротационно-пальцевой и базовой серийной ротационной КРН-2,1 косилок (табл. 4.1) показывает более высокую производительность и качество среза растений косилкой с ротацион-но-пальцевым скашивающим аппаратом.
Более высокая производительность экспериментальной косилки достигается за счет повышения рабочей скорости, которое возможно благодаря снижению затрат мощности на скашивание. Высокое качество среза растений ротационно-пальцевым режущим аппаратом, в частности люцерны, обеспечивает более быстрое ее отрастание, а уменьшение скорости резания - снижает потери урожая в виде измельченной травы (приложение 6), Экономические показатели (табл. 4.3) и экономическая эффективность использования ротационно-пальцевой косилки определяются на основании исходных данных (табл. 4.2), полученных при экспериментальных исследованиях, эксплуатации ротационных косилок [75] по методикам [39, 40] с использованием нормативных материалов [43, 78] .
Работы по исследованию ротационными режущими аппаратами и обоснованию параметров ротационно-пальцевого режущего аппарата проводились в соответствии с договорами о творческом сотрудни 169 честве между УНЙИМЭСХ и ГСКБ Люберецкого производственного объединения им. Ухтомского, УНЙИМЭСХ и СКБ Белоцерковского завода им. 1-го Мая.
Результаты работ предназначены для использования в конструкторских разработках по модернизации ротационной косилки КРН-2,1, косилки-плющилки КПРН-3,0 и прицепного кормоуборочного комбайна КУФ-1,8, предусмотреных "Системой машин на I98I...I990 гг."под шифрами Р 4I.03/P4I.03/, P4I.II/P4I.08/ и P45.I0/P45.07/.
Согласно договоров УНЙИМЭСХ провел работы исследовательского характера, разработал ротационно-пальцевый режущий аппарат и обосновал его параметры. Производственная проверка проводилась в совхозе "Хотовский" Киевской области (см. приложение 6). Косилкой с экспериментальным режущим аппаратом было скошено за сезон 150 га бобовых трав и получен экономический эффект 380 руб. за счет повышения сбора урожая и уменьшения приведенных затрат.
Материалы по модернизации ротационного режущего аппарата были представлены на телевизионный конкурс, проведенный Украинским телевидением по программе "Импульс" в 1981 году и опубликованы в республиканской газете "Сільські вісті" [47] . Экспериментальный образец ротационно-пальцевой косилки демонстрировался на Выставке достижений народного хозяйства УССР. Результаты исследований докладывались на студенческой, институтской и республиканской конференциях молодых ученых. Предложения по совершенствованию ротационных режущих аппаратов были доложены на техсоветах конструкторских бюро Люберецкого и Белоцерковского заводов сельскохозяйственного машиностроения, были ими приняты и одобрены (приложение 7,8).
С учетом проведенных исследований СКВ Белоцерковского завода им. 1-го Мая (приложение 9) разработало конструкторскую документацию на жатку прицепного кормоуборочного комбайна КПЙ-2,4, в которой применен ротационный и ротационно-пальцевый режущий аппараты. Заводом по плану СКБ на 1983...1985 гг. предусмотрено изготовление и испытание макетного образца жатки с ротационно-иальце-вым режущим аппаратом. В 1983 г. жатка с экспериментальным режущим аппаратом была изготовлена и опробована.
Результаты исследований использованы также ГСКБ Люберецкого производственного объединения им. Ухтомского при разработке конструкторской документации на модернизацию ротационной косилки КРН-2,1 и косилки-плющилки КПРН-3,0 (приложение 10). Эти машины успешно прошли Государственные испытания и в 1985...1986 гг. запланировано их серийное производство.
Кроме того, предложенный ротационно-пальцевый режущий аппа рат используется в новом экспериментальном фракционном кормоубо-рочном комбайне конструкции УНИИМЭСХ.
