Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Состояние проблемы уборки конопли. цель и задачи исследования 9
1.1. Народнохозяйственное значение конопли 9
1.2. Регионы и масштабы распространения конопли 12
1.3. Обзор исследований по изучению биологических и физико-механических свойств конопли 14
1.4. Современные технологии уборки конопли и их анализ 19
1.5. Современные технологии уборки трав пресс-подборщиками как аналоги 34
1.6. Цель и задачи исследований 48
ГЛАВА 2. Разработка концептуальных требований к полевой машине для сбора растений культурной конопли 50
2.1. Концепция разработки технологии уборки конопли без применения ручного труда 50
2.2. Требования к общей компоновке уборочной машины 53
2.3. Динамика параметров рулонных и тюковых прессов 55
2.4. Выбор технологической схемы полевой уборочной машины и её описание 66
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. Разработка математической модели работы самоходного рулонного пресса 70
3.1. Исходные методические предпосылки расчёта параметров пресса 70
3.2. Математическая модель работы рулонного пресса на основе принципа материального баланса 72
3.3. Математическая модель процесса прессования растений в прессовальной камере 77
3.3Л. Анализ предшествующих работ по теории рулонизации стеблей с.х. культур 77
3.3.2. Плотность растительных материалов как функция расположения стеблей в определённом объёме 82
3.3.3. Логистическая модель прессования растительных материалов 89
3.3.4. Расчёт затрат мощности на изгиб слоя стеблей конопли при их рулонизации 99
Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. Морфологические и физико-механические свойства растений конопли и их особенности как объектов уборки 107
4.1. Постановка задачи и характеристика агрофона и условий работы 107
4.2. Оценка физико-механических свойств конопли сорта ЮСО-31 111
Выводы по главе 4 : 117
ГЛАВА 5. Обоснование параметров самоходного рулонного пресса 118
5.1. Алгоритм и программа расчётов параметров самоходного рулонного пресса 118
5.2. Обоснование исходных данных 120
5.3. Определение параметров рулона 121
5.4. Энергобаланс самоходного рулонного пресса 127
5.5. Номограмма выбора оптимальных параметров пресса 131
Выводы по главе 5 134
ГЛАВА 6. Расчёт технико-экономической эффективности применения самоходного рулонного пресса и его потребности для выполнения различных уборочных работ 135
6.1. Региональные технологические карты на выполнение с.х. работ с применением самоходного рулонного пресса и его технико-экономическая эффективность 135
6.2. Обоснование годовой загрузки и потребности в само ходном рулонном прессе 155
Выводы по главе в... 162
ГЛАВА 7. Разработка конструкции самоходного рулонного пресса 163
7.1. Описание конструкции рулонного пресса и его техническая характеристика 163
7.2. Варианты использования самоходного рулонного пресса 166
Выводы по главе 7 175
Общие выводы 176
Литература 178
Приложения
- Народнохозяйственное значение конопли
- Концепция разработки технологии уборки конопли без применения ручного труда
- Плотность растительных материалов как функция расположения стеблей в определённом объёме
- Алгоритм и программа расчётов параметров самоходного рулонного пресса
Введение к работе
Конопля издавна считается одной из самых высокодоходных технических культур. В СССР посевные площади составляли около 1 млн. га. В настоящее время посевы конопли в России резко сократились из-за отсутствия техники для её производства. В тоже время в странах Западной Европы, Америки, Австралии, Китае наблюдается повышенный интерес к конопле и отрасль коноплеводства в этих странах активно развивается.
Конопля была одним из древнейших прядильных растений китайцев и японцев. Постепенно распространяясь из Центральной и Юго-Восточной Азии, точнее, из древних Индии и Китая, по путям передвижения народов на Запад, конопля со временем привилась в Малой Азии, Северной Африке и по всей Европе.
Историко-археологическими изысканиями установлено, что конопля была в употреблении у индоперсидских племен, которые получили её из древних аралокаспийских стран ~ Бактрии и Согдианы. Известно, что фракийцы заимствовали культуру конопли от своих северо-восточных соседей и делали из конопляного волокна ткани для одежды. От фракийцев конопля перешла затем к грекам, римлянам и почти одновременно распространилась в Галлии.
Культурную коноплю традиционно возделывают для получения волокна и семян. Эта культура является источником до 25 тыс. видов продукции для медицинской, пищевой, текстильной, легкой, бумажной, строительной, авиационной, топливной, автомобильной и ряда других отраслей промышленности.
Несмотря на большое значение конопли в последние годы у нас в стране наметилась устойчивая тенденция к сокращению её посевных площадей, снижению урожайности, уменьшению валовых сборов и объёмов заготовок сырья, что в целом привело к кризисному состоянию отрасли коноплеводства. Одной из главных причин такого сложившегося
7 положения дел является, прежде всего, низкий уровень механизации уборочных процессов. Существующая отечественная техника — это устаревшие образцы с запредельным сроком эксплуатации, произведённые до 90-х гг. прошлого века, новой техники не выпускается, а зарубежные машины слишком дорогие.
Конопля - культура трудоёмкая. На её выращивании применяют технические средства общего назначения, которыми пользуются в хозяйствах при возделывании других сельскохозяйственных культур, но для уборки конопли требуются специальные машины. Потребность в коноплеуборочных машинах для коноплесеющих хозяйств очевидна и неотложна.
Отечественная промышленность уже более 15 лет не выпускает уборочную технику для культурной конопли. Вся техника, которая применяется сейчас, это оставшиеся ещё с советских времён образцы с запредельными сроками эксплуатации. Машины устарели физически и морально. Только после многочисленных ремонтов они как-то выполняют своё функциональное назначение. К тому же эта техника не позволяет полностью механизировать процесс уборки конопли. При её применении необходим ручной труд.
Новое поколение коноплеуборочной техники должно исключить применение ручного труда. Одним из перспективных направлений создания новой коноплеуборочной техники признано создание комплекса машин для поточной уборки конопли из валка с последующей рулонизациеи растений. Рулонизацию осуществляют самоходным рулонным прессом, отечественного аналога которому нет. Исследования по обоснованию параметров подобных прессов применительно к рулонизации конопли в России не проводились. Известны зарубежные аналоги для рулонизации сеносоломистых материалов.
Работа приобретает актуальность также в связи с выполнением федеральной целевой программы «Комплексные меры противодействию
8 злоупотреблению наркотиками и их незаконному обороту», утверждённой постановлением правительства РФ (№1030 от 09.09.99 г). В этой программе поставлена задача создания новой техники для уборки культурной (технической) конопли. Работа выполнена в соответствии с этим постановлением, а также тематическим планом ВИМ на 2000-2005 годы.
На основании вышеизложенного была сформулирована цель настоящей работы: обосновать параметры, самоходного рулонного пресса, для уборки растений культурной конопли и сеносоломистых материалов без затрат ручного труда.
Народнохозяйственное значение конопли
Конопля имеет важное народнохозяйственное значение как техническая, масличная и лекарственная культура. Её выращивают в основном для получения натурального волокна (пеньки), которое используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Из длинного волокна изготовляют преимущественно кручёные изделия - канаты и верёвки различных видов и назначений, шпагат, пряжу, приводные ремни. Из него получают технические ткани (парусину, брезент, мешковину), упаковочную, кордовую и подкладочную для мебельной и обувной промышленности, а также холст, который используют для пошива спецовоч-ной одежды, плащей чехлов, тентов, сумок, портьер, предметов обряда. Натуральную ткань из конопли применяют для пошива костюмов, курток, демисезонных пальто и других изделий [11].
Длинное волокно с добавлением к нему синтетических, искусственных и натуральных волокон и нитей идёт на изготовление смесевых тканей. Из короткого волокна получают нетканые (теплозвукоизоляционные) материалы, катонизационную вату, различные виды шпагата, шнуры, ко--нопаточный материал, сердечники стальных канатов и др.
Волокно, благодаря прочности и устойчивости к гниению нашло широкое применение при изготовлении верёвок, канатов, мешковины, рыболовных снастей и обивочных тканей. Использование побочных продуктов от переработки семян (жмых, костра) позволяет отнести коноплю к числу практически безотходных культур, а применение масла семян в питании частично удовлетворяет потребность населения в растительных жирах. Жмых идёт на корм для животных, а костра используется для изготовления пластмассы, грубой бумаги, термоизоляционных материалов.
По-своему уникальному жирно-кислотному составу она обладает не только питательной ценностью, но и целебным действием при нарушениях липидного обмена [10]. За рубежом в последние годы широко используются листья и корни конопли для получения лекарственных веществ, применяемых в онкологии, неврологии, психиатрии [103, 107]. В передовых странах использование конопли значительно расширили, особенно в последнее время. Неисчерпаемые целебные свойства конопляного масла нашли широкое применение в медицине и парфюмерии, при изготовлении не раздражающих кожу эффективных моющих средств.
Целлюлоза, полученная из волокна, пригодна для изготовления ценных и тонких сортов бумаги. Луб конопли может служить материалом для изготовления циновок, мочалок, побелочных щёток.
Отличительной особенностью конопли является большое накопление в её стеблях древесины (костры). Костра содержит 40...48% целлюлозы, 28 - лигнина, 22% пентозанов и другие химические вещества. Её используют для изготовления различных видов строительных материалов, например, кострошшт, панелей, облицовочных и мебельных плит. Из костры можно получать этиловый спирт. На пенькозаводах её используют как топливо.
Конопля всё больше привлекает внимание как источник получения сырья для изготовления бумаги, особенно в странах с ограниченными лесными массивами. "При этом существенно уменьшаются вырубки леса, и обеспечивается-сохранность благоприятной экологической среды.
Семена конопли в основном используют для посевных целей, кормления птиц, питания человека и в народной медицине. Они содержат до 35% жира, который служит сырьем для изготовления олифы, красок, лаков, маргарина, мыла, медицинских препаратов. Конопляное масло относится к высшим сортам столовых, типа прованского, содержит бактерицидные вещества, ценные ненасыщенные кислоты, глицерины, аминокислоты, витамины К и Е, микроэлементы и др.
В медицинской литературе встречаются сведения, что с помощью семян конопли лечат болезни, связанные с нарушением обмена холестерина, катар верхних дыхательных путей, а также хронические и острые бронхиты и заболевания мочеполовых и других органов человека. Лекарства, созданные на основе веществ, выделенных из конопли, используют при лечении ВИЧ-инфицированных больных, лейкемии, эпилепсии, астмы, глаукомы, множественных склерозов, язв, спазматических и других нервно-мышечных расстройств, а также таких заболеваний, как болезни Паркинсона, Нимана-Пика, синдром Мейга и т.п. [105, 106].
При выделении масла получают промежуточный продукт - жмых, который имеет высокие кормовые качества. По своим кормовым достоинствам 1 кг жмыха равен 2,4 кг картофеля, а по содержанию перевариваемого белка - 2,85 кг зерна овса, 3 - зерна ячменя и 3 кг зерна кукурузы.
Конопля - высокодоходная культура. По своим потенциальным экономическим возможностям с ней не могут сравнится лён-долгунец, сахарная свекла, картофель, подсолнечник, не говоря уже о зерновых культурах. Занимая в посевах 3...5% пахотных земель, она обеспечивает 45..,50% дохода от всего растениеводства. В настоящее время возрос дефицит хлопка, не хватает льняного волокна, нет достаточно сырья для производства бумаги. Конопля может стать той культурой, которая восполнит недостающее сырьё, получаемое из этих культур.
Для получения-качественного волокна, как посконь, так и матерку, убирают в определенные сроки, -когда сцепление луба с древесиной наименьшее и волокна легко отделяются, тогда снижается и доля отходов в процессе трепания. Так, при урожае в 5 т стебля культурной конопли с 1 га на каждые 1000 га конопли остается для обработки 0,75...1,0 тыс. т полезного волокна и около 4 тыс. т балласта - древесины.
Концепция разработки технологии уборки конопли без применения ручного труда
Изучение вышеприведённых характеристик назначения, параметров, технологических и технических особенностей коноплежаток, коноп-лемолотилок и коноплекомбайнов, а также физико-механических характеристик культурной конопли (глава 1) позволило сформулировать новые направления решения научно-технической проблемы создания современной коноплеуборочной техники.
Современная концепция создания перспективной коноплеуборочной техники для культурной конопли основана на специфике этой культуры, известных и достаточно широко апробированных способах её уборки, а также ряде новых подходов и принципов, обусловленных новыми конструктивными и технологическими решениями на данном этапе научно-технического прогресса в области создания сельскохозяйственной техники.
В основу новой концепции создания коноплеуборочной техники с учётом технологических особенностей предыдущих машин положены две технологии: одна для раздельной уборки конопли на волокно или семена, вторая включает уборку на семена прямым комбайнированием с применением стационарного пункта.
Предлагаются две технологии уборки конопли. Главная особенность этих вариантов технологий - это механизированная уборка с полным исключением ручного труда и ориентация на самоходные и стационарные машины.
Технология уборки культурной (посевной) конопли на волокно включает следующие операции: скашивание зелёных растений конопли (поскони) и подбор валков зеленых растений самоходным рулонным прессом; перевозка рулонов на стационарный пункт (на пеньковый завод) транспортировщиком рулонов; консервация рулонов (подсушка, "герметизация, вакуумизация и т.п.); размотка рулонов с последующей переработкой поскони на волокно.
Технология уборки культурной конопли (матерки) на семена включает следующие операции: скашивание верхней части созревших растений конопли и прессование их в цилиндрические рулоны в самоходном рулонном прессе; перевозка рулонов на стационарный пункт; механизированная размотка рулонов в непрерывную ленту (выполняется специальным размотчиком рулонов); подача непрерывной ленты растений конопли с метёлками в стационарную молотилку; обмолот метёлок конопли, сепарация, получение семенного вороха; очистка семенного вороха и получение семян конопли. Технология уборки конопли (матерки) на семена в зависимости от условий уборки и региона можно реализовать и по аналогии с предыдущей технологией уборки поскони. Разница только будет состоять в том, что между операцией скашивания матерки в валки и их подбором самоходным рулонным прессом должно пройти какое-то время (2-3 дня) для дозревания семян и т.п. Применение самоходного рулонного пресса с высокой степенью герметизации исключает большие потери семян конопли на семена. Комплекс машин для уборки культурной конопли по различным технологиям схематично представлен на рис. 2,1.
При создании этого комплекса реализуются принципы блочно-модульного проектирования с,х. машин, которые приводят к большой унификации применяемых машин, упрощает и ускоряет их разработку и освоение производства, снижает стоимость машин, повышает эффективность использования. Благодаря этим принципам прогнозируется получение агротехнологических и агротехнических показателей работы новых машин не ниже, чем тех, которые приведены в таблицах 1.4-1.6 в главе 1.
Концептуальные требования к полевой машине для сбора растений культурной конопли: исключение затрат ручного труда; адаптивность к специфике конопли различного назначения; поточность технологических операций; блочно-модульная конструкция машин; повышенная унификация с серийной уборочной техникой; возможность использования базового энергомодуля на различных с.-х. работах; самоходность машины с фронтальной навеской сменных адаптеров.
Анализ вышеизложенных концептуальных требований к уборочной технике для культурной конопли позволяет сформулировать основную конструкторскую идею замысла: новая машина должна представлять собой самоходный рулонный пресс-подборщик, обеспечивающий получение материала повышенной тоннажности. С учетом этого сформулированы следующие технологические и технические требования к машинам для уборки растительной массы с перевозкой её к месту складирования: 1. Обеспечение скашивания растительности с последующим подбором и образованием болыпегабаритного рулона;
Плотность растительных материалов как функция расположения стеблей в определённом объёме
Физический смысл процесса сжатия любого растительного материала в определённом объёме сводится к перераспределению в нём стеблей за счёт сокращения размеров воздушного пространства в сравнении с исходным состоянием материала. Исходя из этого весь процесс сжатия стеблевого материала, можно представить как последовательный переход материала из одного состояния в другое. Выделим четыре, наиболее характерные фазы процесса сжатия. Первая фаза - начальное состояние, характеризуемое свободным неупорядоченным расположением стеблей с начальной плотностью — у0- Вторая фаза — состояние материала, когда между стеблями объём воздушного пространства минимален. Третья фаза состояние, при котором деформируется структура стебля. На четвёртой фазе сжатия происходит деформация самой ткани стебля.
К примеру, практика показывает [32], что при уплотнении соломы в копнителе }Vd=40-50 кг/м3, в пресс-подборщике с прямоугольными тюками y„ped S0-200 кг/м3, в рулонном прессе , .=230-240 кг/м3, брикети-ровщике уярвй =450-550 кг/м3, а в грануляторе умред=600-850 кг/м3. В работе сделана попытка, одним уравнением описать все эти процессы получения сжатого материала.
Применительно к рулонному прессу рассмотрим наиболее типичные случаи расположения стеблей в определённом объёме из предположения, что стебли сжимаемого материала имеют трубчатую конструкцию с определённой толщиной стенки — hcm и внешним диаметром сечения стебля — dcm. Возможны шесть самых общих вариантов состояния материала.
Первый вариант состояния материала — материал находится в естественном состоянии с исходной плотностью - уи, то есть до сжатия. Это может быть насыпная совокупность стеблей в каком-либо объёме (рис. 3.1).
Второй - растительный материал находится в движении - потоке, соориентированном в продольном направлении, но без поперечной на него нагрузки. К примеру, поток растительной массы, поступающий к приёмным вальцам пресса (рис. 3.2). Материал в таком состоянии немного был сжат предыдущими рабочими органами - шнеком, наклонным и подающим транспортёром, но из-за релаксационных свойств стебельной массы восстановился до определённой толщины. Этот, поток массы ограничен по ширине шириной транспортирующих рабочих органов и его толщина уже зависит от количества и скорости движения материала. Именно с этого состояния материала начинается далее процесс сжатия его после приёмных вальцов пресса. Плотность материала во втором состоянии обозначим уо и назовём её начальной перед прессованием.
Третье состояние материала - это промежуточное между начальным (до сжатия) с исходной плотностью у0 до состояния, при котором между стеблями нет больших воздушных промежутков, но и не все стебли по длине имеют контакт с соседними стеблями. Это состояние характеризуется текущей плотностью у, в функции степени сжатия Gi (рис. 3.3).
Четвёртый вариант — совокупность стеблей сжата до какого-то предела, при котором достигается плотное, упорядоченное расположение, но без деформации структуры стеблей. При этом все стебли имеют сплошное соприкосновение друг с другом. Это состояние материала характеризуется критической плотностью укр (рис. 3.4).
Пятый вариант - трубчатая конструкция стеблей деформирована до прямоугольного сечения и плотность слоя стеблей - это плотность самой ткани стеблей (рис. 3.5). То есть это самая предельная плотность, которую можно достичь при прессовании любого растительного материала в прессе - упред.
С дальнейшим увеличением сжатия - шестой случай — начинается деформация самой ткани стеблей, что характерно для процессов брикетирования и далее гранулирования стеблей. Этот вариант прессования для рулонных прессов не характерен и нами не рассматривался.
Как следует из анализа графиков на рисунках (ЗД-3.5)
Ун У О Укр Упред
Определим математическое выражение плотности для каждого состояния растительного материала кроме у„, так как оно зависит от характера образования насыпи стеблей, высоты укладки и т.п. и формализации пока не подлежит.
Алгоритм и программа расчётов параметров самоходного рулонного пресса
В программу оценки физико-механических свойств сорта культурной конопли ЮСО-31, выполненной совместно с сотрудниками Пензенского НИИСХ, входило измерение следующих характеристик растений конопли: длина стеблей, диаметр стеблей в трёх сечениях, масса одного целого стебля, масса стебля длиной 1 м в. валке скошенной массы, толщина стебля в сплющенном состоянии и толщина стенки стебля в несплю-щенном состоянии, линейные параметры валка (высота, ширина), масса одного погонного метра валка, плотность стеблей в трёх состояниях (в валке, в мерной ёмкости с искусственной укладкой, в снопике) [5].
Урожай стеблестоя зелёной массы конопли, определенный в полевых условиях методом учётных площадок, составил 93,2 ц/га.
Биометрическая характеристика, стеблестоя конопли сорта ЮСО-31, посеянная на зеленец, полученная при анализе пятидесяти растений представлена в таблице 4.2. Обработку опытных данных проводили по стандартной методике [9, 22].
В условиях отчётного года средняя высота растений сорта ЮСО-31 составила 202 см с размахом вариации 138-257 см, коэффициент вариации 13,7% (средняя изменчивость признака).
Диаметр стебля у корневой шейки варьировал от 5,5 до 11,9 мм — коэффициент вариации 20,3% (высокая изменчивость признака), составляя в среднем 9,1 мм. Диаметр стебля посередине варьировал от 4,4 до 9,2 мм (коэффициент вариации 18%), а диаметр у начала соцветия от 2,2 до 4,8 (коэффициент вариации 16%).
Установлена высокая сопряженность высоты и толщины стебля растения конопли. Коэффициент корреляции равен 0,86.
Средняя масса одного свежескошенного растения составила 48,8 г (объём выборки — 100). Средняя влажность стебля, установленная в лабораторных условиях, составила 77,6% (табл. 4.3).
Мерная ёмкость для определения плотности представляла собой деревянный ящик размером 2,5x0,5x0,5 метра. В него по длине укладывали равномерно срезанные стебли друг к другу без подпрессовки. После этого определяли массу стеблей, уместившихся в этом ящике объёмом 0,625 м3. Было сделано 50 замеров. Средняя плотность оказалась равной 184 кг/м .
Помимо этого было сделано 50 замеров по 50 цилиндрическим снопикам, состоящим из 50 плотно прижатых друг к другу стеблей. Средняя масса снопа - 4,2 кг, высота снопа 212 см, диаметр снопа в нижней части -8,30 см, в средней части — 8 см и верхней части 7,6 см. Средний объём снопика составил 0,010651 м . Плотность стеблей в снопике при влажности стеблей 77,6 %, составила 394 кг/м3.
Результаты изучения прочностных характеристик свежескошенного стеблестоя конопли сорта ЮСО-31 при вертикальной на комель стебля нагрузке массой 1,0 кг представлены в таблице 4.4, полученные в ходе экспериментальных исследований.
Для анализа прочностных характеристик стебля по его длине было сделано 10 замеров. Методом рандомизации выбрано 25 стеблей. На стол клали стебель в естественном состоянии и в первом опыте к комлю подвешивали груз массой 1 кг (рис. 4.2). Рассредоточенная нагрузка на стебель по всей его длине достигалась наложением на него жёсткой рейки. Это позволило избежать изгиба стебля под действием нагрузки приложенной к его комлю". Медленно продвигали стебель по столу и фиксировали момент излома стебля под-действием нагрузки. Замеряли длину части стебля, которая отломилась под действием нагрузки. Затем снова привязывали груз к концу оставшегося стебля и опыт продолжали. Зная нагрузку и плечо, рассчитали изгибающий момент в точке излома.
Установлено, что при вертикальной нагрузке в I кг первый излом стебля происходит на расстоянии 18...29 см от точки приложения груза в комлевой части стебля со средним значением 23,5 см при среднем диаметре стебля в точке излома 5,5 мм. Последующие изломы фиксируются на расстоянии 15, 11, 10, 9, 8, 8, 7, 6 и 5 см от предыдущего излома. Диаметр стебля в точках излома уменьшался от 5,8 до 3,5 мм. Пределы варьирования изгибающего момента: от 0,236 кг м на расстоянии 0,236 м от комля до 0,059 кг м на длине 1,037 м от комля.
Полученные данные по физико-механическим и прочностным характеристикам стеблей конопли в различном состоянии были использованы для расчёта параметров самоходного рулонного пресса нового поколения (глава 3).
Выводы по главе 4 1. Средняя высота растений сорта ЮСО-31 составляет 202 см с размахом вариации 138-257 см, диаметр стебля у корневой шейки варьирует от 5,5 до 11,9 мм, составляя в среднем 9,1 мм. Диаметр стебля посередине изменяется от 4,4 до 9,2 мм, а у начала соцветия от 2,2 до 4,8; 2. Средняя масса снопа высотой 212 см, диаметром в нижней части — 8,30 см, в средней части — 8 см и верхней части 7,6 см - 4,2 кг. Средний объём снопика составляет 0,010651 м3. Плотность стеблей в сно-пике при влажности стеблей 77,6 %, составляет 394 кг/м ; 3. Средняя плотность равномерно уложенных без подпрессовки стеблей в ящик объёмом 0,625 м равна 184 кг/м . 4. Пределы варьирования изгибающего момента: от 0,236 кг м на расстоянии 0,236 м от комля до 0,059 кг м на длине 1,037 м от комля.
