Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования... 9
1.1. Краткий обзор средств для механизированной уборки моркови 9
1.2. Анализ способов и средств для удаления ботвы моркови на корню 17
1.3. Предварительные исследования по уточнению объекта исследования ...26
1.4. Изыскание рациональной схемы ботвоудаляющих устройств 30
1.5. Агротехнические требования к машинам для уборки моркови 34
1.6. Выводы и задачи исследований 39
2. Теоретические исследования к обоснованию конструкции и основных параметров ботвоудаляющего рабочего органа 41
2.1. Конструкция и принцип действия ботвоудаляющего рабочего органа...41
2.2. Анализ сил, действующих на рабочий орган ботвоудалителя 45
2.3. Определение внутренних силовых факторов в узловых сечениях кольца 54
2.4. Определение деформации кольца 62
2.5. Определение длины бича 67
2.6. Выводы по второй главе 76
3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований ботвоудаляющего рабочего органа 77
3.1. Программа экспериментальных исследований 77
3.2. Объект исследования, измерительные устройства, приборы и оборудование 78
3.3. Факторы, определяющие процесс удаления ботвы на корню и критерии оптимизации 82
3.4. Планирование экспериментов и методика проведения опытов 83
3.5. Методика математической обработки результатов экспериментальных исследований 89
3.6. Проведение видеосъемки технологического процесса отделения ботвы 90
3.7. Методика проведения полевых исследований 92
4. Обработка результатов лабораторных и полевых исследований 94
4.1. Определение работы по разрушению ботвы 94
4.2. Определение физико-механических характеристик эластичных элементов рабочего органа 96
4.3. Определение мощности на привод ботвоудаляющего рабочего органа 102
4.4. Результаты экспериментальных исследований 106
4.5. Результаты полевых исследований ботвоудаляющего рабочего органа 116
4.6. Выводы по четвертой главе 122
5. Экономическая эффективность использования бескопирного ботвоудаляющего аппарата с вертикальной осью вращения 124
Выводы 128
Общие выводы 129
Список литературы 131
Приложения 139
- Предварительные исследования по уточнению объекта исследования
- Определение внутренних силовых факторов в узловых сечениях кольца
- Объект исследования, измерительные устройства, приборы и оборудование
- Определение физико-механических характеристик эластичных элементов рабочего органа
Предварительные исследования по уточнению объекта исследования
Намереваясь аккуратно отделить ботву от корнеплода, многие пытаются проделать эту операцию остро заточенным ножом [21,92] (большинство известных аппаратов выполнены по принципу резания). Эти устройства содержат, как правило, жесткие металлические режущие элементы различной конструкции, выполненные в виде дисков, вибрирующих ножей с приводом от источника энергии посредством довольно сложного механизма. Такого типа аппараты, имея значительную массу, не обеспечивают строго следящее движение режущего элемента по неровностям микрорельефа почвы и выступающим из почвы головкам корнеплодов, следовательно не обеспечивают и качественный срез ботвы. В течение ряда лет в ИжГСХА проводились работы по изысканию рабочего органа ботвоудалителя [49,67,89]. На первом этапе для удаления ботвы использовались известные элементы существующих режущих аппаратов. В частности, для этой цели был использован сегмент ножа режущего аппарата косилки (рис. 1.15, а), который крепился к вращающемуся в горизонтальной плоскости диску. Такой рабочий орган имел возможность копировать микрорельеф почвы. Однако, головки корнеплодов выступающие над поверхностью сильно повреждались, а ботва в местах углублений оставалась не срезанной.
На рисунке (1.15, б) приведена схема рабочего органа с плавающими коническими ножами от фрезы ММГ- 1,7. Ножи подпружинены и имеют возможность свободного перемещения в пределах сжатия пружины по вертикали. Однако повреждение выступающих над поверхностью почвы головок корнеплодов недопустимо высокое ввиду неравномерного расположения головок корнеплодов моркови относительно поверхности поля. Независимо от способа крепления (вертикально или под углом) в ходе полевых испытаний выявлены недостатки, главные из которых: при вертикальном расположении щеток ботва хорошо отделяется от корнеплодов, однако, жесткие прутки щеток повреждают выступающие головки корнеплодов (до 20%). Если же прутки щетки расположены под углом, стебли ботвы откланяются и выскальзывают из зоны действия последующих щеток. Ботва «мочалится», на корнеплодах остаются тонкие «нити». Прутки быстро изнашиваются и отрываются в месте зажима. В ИжГСХА были изготовлены, испытаны, защищены авторскими свидетельствами №1311653 (СССР) [9]; №1251815 (СССР)[10] варианты ботвоудалителей представленные на рисунке (1.12, г, д). Однако при сравнительно не плохих качественных показателях, они имели существенный недостаток: копирующий сферический диск с лопастями, установленными горизонтально или под углом крепился к ведущему валу гибкими элементами. При вращении рабочего органа и взаимодействии его с ботвой и почвой происходит биение и вертикальное перемещение рабочего органа. С целью устранения данного недостатка установлен телескопический стабилизатор (рис. 1.16, а,в) соединенный с копирующим элементом сферическим шарниром [8]. Во время работы такого ботвоудаляющего рабочего органа с горизонтальной лопастью (рис. 1.16, а) под действием силы удара возникающего в момент встречи с препятствием (комок почвы, бугорок, головка корнеплода) лопасть изгибается в горизонтальной плоскости и проходит над препятствием.
Полнота отделения (от 0 до 0,02 м) составляет 76%. При работе рабочего органа изображенного на рисунке (1.16, б) лопасти часто отрываются в месте крепления. Полнота отделения возрастает до 82% поскольку удаление осуществляется методом обрыва-облома. Недостатки работы рабочих органов, изображенных на рисунках (1.16, а, б) проявились в виде выбивания и слома корнеплодов, головки которых сильно выступали из почвы, вращающимся копирующим диском при этом ботва плохо выносится за пределы рядка и зоны междурядья. Оставаясь на поверхности обработанной полосы, ботва препятствует производительной работе морковоуборочного комбайна, забивая его рабочие органы.
Из изложенного выше следует, что ботвоудаляющие рабочие органы должны быть выполнены в виде пластин, изготовленных из эластичного материала и установленных в вертикальной плоскости; повышение качества отделения ботвы может быть достигнуто путем индивидуального отслеживания головок корнеплодов эластичными рабочими элементами с приложением разрушающего усилия к ботве в непосредственной близости от головки корнеплода, в зоне повышенной хрупкости ботвы [59]. Разрабатываемое устройство практически не должно иметь отдельного копирующего механизма так, как значительная инерционность копирующих систем не обеспечивает индивидуальное отслеживание головок корнеплодов.
Определение внутренних силовых факторов в узловых сечениях кольца
Рассмотрим схему нагружения ботвоудалителя в горизонтальной плоскости, представив ведущий поводок и лопасть в виде упругих стержней, (рис.2.7). Составляющие равнодействующей всех сил сопротивления, которая заменяет силы F, Pi и Р2 (рис.2.А),обозначим Рх и Ру; Хо , Yo ,Мо - силы реакции вала, приведенные к оси вращения О. На рисунке 2.7,а показан один из возможных вариантов соотношения сил и размеров, когда угол между касательными к упругой линии кольца и к упругой линии ведущего поводка и лопасти в точке А, как и до деформации, остается равным 90 . В этом случае на кольцо в сечении А со стороны поводка и лопасти не действует изгибающий момент MAz в горизонтальной плоскости. Кроме того, так как сделано допущение, что угловая скорость постоянна, а значит сумма моментов относительно центра О всех сил, приложенных к кольцу, равна нулю, то отсутствует и окружная сила РАОКР действующая на кольцо в точке А со стороны поводков и лопасти. Ось Ауг проходящая через центр О будет совпадать с касательной к упругой линии поводка и лопасти, а ось Ах - с касательной к упругой линии кольца. Момент MAZ И сила Рлокр будут возникать при изменениях нагрузки, выполняя значения восстанавливающих сил при колебаниях системы.
Для обоснования такой возможности построим эпюру изгибающих моментов, заменив все силы, действующие на бич и лопасть, их равнодействующей Q, (рис.2.7, б). Из соотношения сил и размеров можно показать, что эта сила пересекает ось условного стержня в точке Е между Аои В, а точка ее приложения S расположена вблизи этой оси. Из сопротивления материалов известно, что в точке Е, где изгибающий момент равен нулю, угол наклона касательной к упругой линии имеет максимальное значение #maJC. Следовательно точка Е является точкой перегиба, а точка А расположена дальше от оси О по сравнению с Е. Если узел А при данной нагрузке расположить ближе к оси О, по сравнению с указанным на рисунке 2.7,а , уменьшив радиус г, кольцо в сечении А будет испытывать изгиб против часовой стрелки, действуя на поводки в противоположном направлении, - и тогда угол наклона / секущей кромки будет увеличиваться, если г увеличить, угол у будет уменьшаться.
Под действием распределенных сил инерции (f кольцо испытывает растяжение, и его радиус г увеличивается по сравнению с номинальным значением го. При этом силы инерции Ф] и 02 практически не изменяются, а реакция Ry (рис.2.6, а) ведущего поводка АВ быстро растет вследствие его упругого удлинения под действием расширяющегося кольца. Тогда на кольцо в точке А будет действовать сила РАУ=Р АУ= Ф1+Ф2 -Ry -Ру. Можно подобрать такую первоначальную (до деформации) длину ведущих поводков АВ, чтобы в рабочем состоянии сила РАУ была пренебрежимо мала. При слишком большой первоначальной длине АВ сила РАУ направлена от центра, при малой длине - к центру.
Примем допущение, что нагрузки, действующие на бич и на лопасть в горизонтальной плоскости, полностью воспринимаются ведущим поводком, и в дальнейших расчетах будем считать, что на кольцо в сечении А сосредоточенные силы РАу и РАОКР И момент MAZ не действуют.
Остается определить приложенный к кольцу момент МАУ, определяемый действием почвы и ботвы, и направленный против Му (рис.2.4). Опыты показали (п.4.2.), что жесткость на кручение ведущего поводка вокруг оси у во много раз меньше жесткости кольца на изгиб вокруг этой оси. Поэтому можно считать, что момент относительно оси у, создаваемый приложенными к лопасти и бичу силами, полностью воспринимается кольцом; тогда моментом Му можно пренебречь. Пренебрегаем также моментами сил Фі и Ф2, которые практически параллельны оси у , моментом силы Р2, считая, что она пересекает ось у, и моментами сил тяжести лопасти и бича (эти моменты противоположны друг другу, сила Gi меньше G2, однако плечо силы G; больше, рис.2.4). Тогда
Силу Ni будем определять по формуле (2.10), Р{ - по (2.7); сила трения F - f - Nv Коэффициент трения / примем равным 0,7 [72]. С центром А каждого узла, в котором на кольцо действуют лопасть и ведущий поводок, свяжем системы координат Аху (рис.2.8). Положение элементов кольца будем определять углом в, измеряемым от одного из радиусов ОА по направлению вращения. На элементы кольца действуют внешние силы тяжести dG и силы инерции dO: Согласно принятым допущениям, в горизонтальной плоскости силы, приложенные к бичу и лопасти, уравновешиваются силами со стороны ведущего поводка. Поэтому в узлах А на кольцо со стороны лопасти и поводков действуют только вертикальные силы РА=0,25- т3 g и моменты в вертикальных плоскостях МАх иМАу, (формулы (2.15), (2.16)). Так как в геометрическом отношении кольцо является плоским, то при определении внутренних силовых факторов действующие на него внешние силы можно разложить по плоскостям и отдельно рассматривать плоскую и плоскопространственную системы [78]. В соответствии с допущениями, принятыми в предыдущем параграфе, в плоскости кольца на него действуют только равномерно распределенные силы инерции dO, поэтому в этой плоскости кольцо испытывает только растяжение. Условия симметрии позволяют определить нормальную силу N в сечениях кольца из уравнения проекций сил, приложенных к половине кольца (рис.2.9), на ось 0/7, перпендикулярную плоскости разреза. С учетом формулы (2.18) получим Из условия равновесия четверти кольца легко показать, что в горизонтальной плоскости поперечная сила в сечениях кольца равна нулю, а затем, раскрыв статическую неопределимость, что изгибающий момент в этой плоскости также равен нулю. К плоскопространственной системе относятся силы РА, моменты МАХ и МАу, приложенные в точках А, и распределенные по длине кольца силы тяжести dG. По отношении к плоскости симметрии, проходящей перпендикулярно кольцу по сечениям А, моменты МАУ представляют собой кососимметричную нагрузку, а остальные внешние силы - симметричную. Под действием кососимметрич-ных нагрузок в сечениях А возникают кососимметричные внутренние силовые факторы: поперечная сила QA И крутящий момент МАК (рис. 2.10); под действием симметричных нагрузок - симметричные силовые факторы - в данном случае изгибающий момент M „ (рис.2.11). Следовательно, при определении внутренних силовых факторов в сечениях А плоскопространственную систему можно разложить на две - кососимметричную и симметричную [78]. Для раскрытия статической неопределимости кососимметричной плоскопространственной системы разрежем кольцо в одном из узлов А, разделяя заданную нагрузку МАУ поровну по краям разреза (рис. 2.10. а). Положительные направления изгибающего Ми и крутящего Мк моментов в сечениях кольца, определяемых текущим углом в, приняты как указано на рисунке. Из условия равенства нулю относительных перемещений краев разреза получаем систему канонических уравнений:
Объект исследования, измерительные устройства, приборы и оборудование
Расчетные значения углов поворота сечения кольца а, лопасти 5 и угол наклона рабочей кромки у (рис. 2.18) в зависимости от угловой скорости рабочего органа и скорости агрегата изменяются в интервале от 0,104 до 0,269 рад., 0,11 до 0,265 рад. и 0,139 до 0,276 рад., соответственно. При увеличении со от 33 до 55 с"1 расчетная длина секущей кромки уменьшается на 30%, при любых значениях скорости агрегата. При увеличении VM от 0,4 до 1,2 м/с требуемая длина кромки увеличивается почти в два раза (при средних значениях га от 0,035 до 0,06м). Толщина ленты, из которой изготовлены бич, лопасть и поводок, по результатам расчетов (рис.2.16) не оказывают существенного влияния на размеры бича.
В зависимости от высоты Н расчетная длина бича принимает значения от 0,12до0,155м на средних режимах работы (рис. 2.16). При увеличении скорости движения машины от 0,4 до 1,2 м/с и угловой скорости со от 33 до 55 с"1 длина бича изменяется 0,1 до 0,18 м, а ширина от 0,035 до 0,17м (рис.2.17).
Ботвоудаляющий агрегат и уборочный комбайн, двигаясь вкруговую, работают в комплексе, так как срезанная ботва должна отбрасываться на уже убранную полосу. Учитывая, что увеличение скорости комбайна свыше 1 м/с ведет к росту повреждений выкапываемой моркови [45], увеличивать скорость бот-воудаляющего агрегата свыше 1 м/с также нецелесообразно, а снижение скорости ниже 0,4 м/с приводит к уменьшению производительности уборочного комплекса. Анализ графиков на рисунке 2.17 с учетом указанных обстоятельств позволяет сделать вывод, что при скорости VM до 1 м/с в интервале га от 35 до 55 с"1 устойчивое протекание технологического процесса обеспечивается бичом шириной 0,12 м, длиной 0,14 м. При указанных размерах масса бича составляет mi = 0,3 кг, лопасти с учетом элементов крепления (металлические пластины, болты) т2 = 0,8 кг, масса кольца тз = 4,3 кг.
Принятые параметры позволяют обеспечить высокое качество работы бот-воудаляющего устройства. При длительном использовании ботвоудаляющего устройства, в процессе которого происходит постепенный износ бича, требуемая полнота отделения ботвы обеспечивается за счет уменьшения высоты установки рабочего органа. 1. Анализ взаимодействия рабочего органа с почвой и ботвой позволил установить, что при деформации эластичных элементов рабочего органа наружный край бича образует секущую кромку, срезающую ботву у основания пучка. При этом нижняя поверхность изогнутого бича, проходя по головкам корнеплодов со срезанными пучками производит доочистку оставшихся черешков ботвы. Одновременно нижняя часть бича выполняет функцию следящего элемента, что значительно уменьшает повреждения корнеплодов. 2. Исходя из условия срезания ботвы без пропусков с помощью уравнений движения точек секущей кромки получены аналитические зависимости (2.2), (2.3), (2.4), (2.5), устанавливающие соотношение между требуемой длиной секущей кромки, другими размерами рабочего органа и характеристиками режима работы ботвоудалителя (VM, со). 3. Для определения зависимости требуемой длины бича от его ширины, режимов работы и высоты установки ботвоудалителя составлена система уравнений, полученная из анализа деформированного состояния эластичных элементов рабочего органа с учетом физико-механических характеристик используемых материалов. При этом ширина бича определялась из условия трехкратной повторности воздействия бичей на корнеплод. 4. На основании решения полученных теоретических зависимостей и анализа его результатов установлены и приняты оптимальные параметры элементов рабочего органа для отделения ботвы моркови на корню: длина бича Ьб=0,Ым, ширина бича б=0,12 м, толщина лопасти и ведущих поводков 0,008м. Целью экспериментальных исследований является проверка установленных теоретических зависимостей, определение рациональных параметров и режимов работы ботвоудаляющего устройства. Программа включает проведение лабораторных и производственных исследований. В соответствии с поставленной целью программа исследований в лабораторных условиях предусматривает решение следующих задач: - разработать конструкцию и изготовить макетный образец ботвоудаляющего рабочего органа; - определить размерно-массовые характеристики ботвы и величину работы, затрачиваемой на разрушение пучка ботвы моркови; - определить физико-механические характеристики упругих элементов бот-воудалителя (жесткость, модуль упругости), необходимые для выполнения расчетов по результатам теоретических исследований; - определить потребную мощность на привод рабочего органа ботвоудали-теля. В производственных условиях программа исследований предусматривает: - определение пределов варьирования параметров и режимов работы бот воудаляющего рабочего органа на основании однофакторных экспериментов; - проведение производственных испытаний; - определение качественных показателей удаления ботвы на корню; - проведение видеосъемки технологического процесса удаления; - получение технико-экономических показателей работы ботвоудалителя. Устройство для отделения ботвы моркови на корню состоит из ботвоуда-ляющего рабочего органа (рис.3.1), механизма привода, винтового регулятора положения опорных колес, рамы и устройства сцепки (рис.3.2). Рабочий орган выполнен из четырех бичей 1 прямоугольной формы, изготовленных из транспортерной ленты толщиной 8 мм. Концы ленты, из которой изготовлен бич, свободными концами при помощи болтов крепятся к концам лопасти 2, образуя при этом замкнутый контур в нижней части в виде петли. Лопасти 2 и ведущие поводки 4 размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях и прикреплены на перегибе к кольцу 3, изготовленному из ремня (тип ремня ЛКВ-001) теребильного аппарата льноуборочного комбайна. Размеры ремня (изделия промышленного изготовления) хорошо соответствуют предъявляемым к кольцу требованиям. Диаметр ремня -800 мм - позволяет уменьшить длину лопасти 2 до 200...250 мм. Сечение ремня 10x100 мм и материал, кордированная резина, обеспечивают согласованное вращение лопастей независимо от действующей на каждую из них нагрузки, и в то же время позволяют им индивидуально копировать неровности почвы.
Определение физико-механических характеристик эластичных элементов рабочего органа
Площади, занятые под выращивание моркови в учебно-опытном хозяйстве «Июльское» в 2000 году составили 5 га. При проведении производственных испытаний для удаления ботвы использовался бескопирный ротационный аппарат с вертикальной осью вращения. Затраты на изготовление установки не превысили 5000 руб. При скорости движения агрегата VM= 0,6...0,8 м/с, угловой скорости рабочего органа со= 50...53 с"1 и высоте установки рабочего органа относительно поверхности поля Н = 0,09...0,095 м полнота отделения полнота отделения - не ниже 86%, повреждений моркови - не более 7%.
Параллельно использовался ботвоудалитель (рис. 4.6, б, г, ж.) рабочим органом которого является горизонтальный вал с эластичными ботвоудаляющи-ми резиновыми лопастями. Полнота отделения при скорости VM=0,6 м/с составила 67,5 % . Повреждения - 16,2 %. Качество отделения не соответствует требованиям у 32,5 % моркови, требуется ручная доочистка, для проведения которой дополнительно привлекается вспомогательные рабочие. При урожайности 450 ц/га с площади 5 га необходимо дополнительно доработать 731,25 ц.
Выводы Расчеты показывают, что при использовании макетного образца ботвоуда-ляющего аппарата снижаются затраты труда на 90,90 %, по сравнению с использованием на уборке лопастного ботвоудалителя с горизонтальной осью вращения, снижение приведенных затрат составляет 80,13%, а удельных капиталовложений - 75,30%. При этом годовой экономический эффект от использования макетного образца с использованием нового ботвоудаляющего устройства составил 22,015 т.руб при сроке окупаемости капиталовложений 0,24 года. Приведенные расчеты показали, что использование ботвоудаляющего устройства с новым бескопирным рабочим органом при уборке моркови экономически выгодно. Экономия достигается по всем показателям. 1. Машины теребильного типа для уборки моркови имеют низкие качественные показатели на полях со слаборазвитой, полегшей ботвой. Машины выкапывающего типа менее требовательны к состоянию агрофона, имеют простую конструкцию и надежность, но для их нормальной работы требуются предварительное удаление ботвы. 2. Невысокое качество работы существующих конструкций ботвоудалите-лей с жесткими рабочими органами обусловливается рядом причин, главными из которых являются: большая дисперсия расположения головок корнеплодов относительно поверхности почвы, слабая корреляционная связь между траекториями движения рабочего органа и копирующего элемента. Анализ научных материалов и конструкций показал, что наиболее перспективными, обеспечивающими качественное отделение ботвы, являются устройства с вертикальной осью вращения и эластичными рабочими элементами. 3. В диссертационной работе предложена новая конструкция рабочего органа, обеспечивающего максимальное сближение зон обрезки ботвы и копирования головок корнеплодов и выполняющего две технологические операции: отделение ботвы бичом и смещение валка ботвы с обработанной полосы лопастью, к которой крепится бич. Размеры рабочего органа обеспечивают удаление ботвы с двух рядков. Для согласованного вращения лопастей используется промежуточный эластичный элемент - кольцо. Теоретически обосновано, что при диаметре кольца 0,8 м бич должен иметь длину 0,14 м при ширине 0,12 м. 4. Теоретический расчет и лабораторные исследования потребной мощности показали, что ее численное значение находится в пределах от 1,5 до 1,7кВт. Ботвоудалитель рекомендуется агрегатировать с трактором тягового класса 9 кН или использовать в едином агрегате с корнеклубнеуборочной машиной. 5. По результатам экспериментов получена математическая модель процесса отделения ботвы моркови на корню ботвоудаляющим рабочим органом. Установлены зависимости полноты отделения ботвы от скорости агрегата V, угловой скорости рабочего органа ю, высоты установки Н рабочего органа относительно поверхности почвы. При этом оптимальными являются значения: V= 0,6...0,8 м/с, ш=50...53 с"1, Н =0,09...0,095 м. 6. Полевые испытания ботвоудаляющего рабочего органа подтвердили полученные теоретические положения. При вышеуказанных режимах работы полнота отделения ботвы находилась в пределах от 88 до 95%, что в 1,5...2 раза выше показателей ботвоудалителя лопастного типа с горизонтальной осью вращения. Повреждения головок корнеплодов уменьшились в три раза и не превышали уровня 5 %. 7. Использование предложенного ботвоудалителя позволило снизить затраты ручного труда на 90,9 %, прямые эксплуатационные затраты - на 79,20%; годовой экономический эффект от применения устройства составил 22 т. руб. Совокупность обоснованных в работе положений открывает перспективное направление по созданию и применению ботвоудаляющей машины, обладающей высокими качественными показателями работы, низкой энерго- и металлоемкостью, а также снижающей затраты труда.
