Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса по интенсификации процесса сепарации грубого вороха в зерноуборочном комбайне с классической схемой 7
1.1. Тенденции повышения производительности отечественных зерноуборочных комбайнов 7
1.2. Анализ патентных материалов 10
1.2.1 Анализ автономных механических устройств, воздействующих на грубый ворох 10
1.2.2 Анализ конструкции клавиш, обеспечивающих дополнительное воздействие на грубый ворох 16
1.3. Аналитический обзор научных работ 28
Выводы, следующие из первой главы 47
ГЛАВА 2 Теоретические основы интенсификации процесса сепарации грубого вороха с использованием воздушной струи 52
2.1. Схема строения слоя грубого вороха 52
2.1.1 Анализ условий прохождения зерна сквозь слой грубого вороха. 53
2.1.2 Обоснование способа увеличения скважности 57
2.1.3 Взаимодействие зерна с развернувшейся в вертикальной пло ско сти соломиной 61
2.2. Взаимодействие воздушной струи с единичной соломиной 64
2.3 Взаимодействие воздушной струи со слоем грубого вороха, находящегося на соломотрясе 69
2.4 Построение математической модели процесса взаимодействия воздушной струи со слоем грубого вороха 72
2.4.1 Выбор критерия оптимизации 73
2.4.2 Выбор формы связи между факторами модели 78 Выводы, следующие из второй главы 79
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса взаимодействия воздушной струи со слоем грубого вороха 81
3.1 Цели и задачи экспериментального исследования 81
3.2 Оборудование и приборы, использованные в экспериментальном исследовании . 83
3.3 Методика проведения однофакторных и полного факторного экспериментов 91
3.4 Результаты однофакторных экспериментов 93
3.4.1 Влияние скорости выхода струи V на величину Е 93
3.4.2 Влияние диаметра выходного отверстия на величину Е 94
3.4.3 Влияние высоты слоя вороха Н на величину Е 95
3.4.4 Влияние ширины слоя вороха Н на величину Е 96
3.4.5 Влияние угла наклона струи в поперечной плоскости а на величину Е 97
3.4.6 Влияние угла наклона струи в продольной плоскости р на величину Е 98
3.5 Кодирование факторов и выбор уровней их варьирования 98
3.6 Выбор методики планирования полного факторного эксперимента 100
3.7 Рандомизация опытов и их результаты 102
3.8 Обработка результатов эксперимента 103
3.9 Методика проведения натурного эксперимента 117
3.10 Обработка результатов натурного эксперимента 119
Выводы, следующие из третьей главы 124
ГЛАВА 4 Экономическая эффективность от внедрения нового зерноуборочного комбайна, с клавишным соломотрясом, снабженным аэродинамическим активатором 125
4.1 .Технико-экономическое обоснование разработки новой машины 125
4.1.1 Расчет производительности комбайнов 125
4.1.2 Определение парка машин и ежегодного потребного выпуска 128
4.2 Расчет себестоимости и оптовой цены проектируемой машины 129
4.3 Расчет балансовой цены комбайна 132
4.4 Оптимальные сроки выполнения полевых работ на уборке зерновых культур 133
4.5 Расчет экономических показателей 136
4.5.1 Расчет себестоимости уборочных раб от 136
4.5.2 Расчет полных затрат 142
4.5.3 Расчет годового экономического эффекта 144
4.5.4. Расчет переменных и условно - постоянных затрат 144
4.5.5 Расчет лимитной цены 145
4.5.6 Определение срока окупаемости 146
4.5.7 Определение годовой экономии затрат 147
Выводы, следующие из четвертой главы 148
Общие выводы 150
Литература 153
Приложение 163
- Анализ конструкции клавиш, обеспечивающих дополнительное воздействие на грубый ворох
- Взаимодействие воздушной струи со слоем грубого вороха, находящегося на соломотрясе
- Влияние ширины слоя вороха Н на величину Е
- Определение парка машин и ежегодного потребного выпуска
Введение к работе
Россия - одна из крупнейших зернопроизводящих стран мира с большим потенциалом сельскохозяйственных, угодий. По валовому сбору зерна Россия находится на четвертом месте в мире после США, Китая и Канады. Общая земельная площадь России составляет 76% от площади государств СНГ, в том числе пашни 60Д%. Зерновые в России занимают 58,8% от общей площади стран СНГ. Производство зерна в России в настоящее время является основой сельскохозяйственного производства. Уровень производства зерна определяет степень обеспечения населения продовольствием. Несмотря на все это уровень производства зерна в России в настоящее время не обеспечивает необходимого научно обоснованного количества зерна на душу населения (1 тонна на человека). За последние 100 лет годовое производство чистого зерна на душу россиянина не изменилось и находится на уровне 370 кг. Остается невысоким уровень интенсификации зернопроизводства в сравнении с развитыми в аграрном отношении странами.
В настоящее время в России применяются в основном два способа уборки зерновых культур - прямое комбайнирование комбайном, оборудованным хедером, и раздельная уборка с предварительным скашиванием хлебов в валки и последующим подбором валков комбайном, оснащенным подборщиком. Примерное соотношение масштабов применения этих способов в среднем по стране 50:50%.
Общий анализ технического уровня отечественных зерноуборочных комбайнов и зарубежных показывает, что по некоторым технико-эксплуатационным показателям работы: производительности за час основного времени, качеству работы, надежности технологического процесса, стоимости отечественные машины не уступают и даже превосходят зарубежные. Однако по своим удельным показателям, таким как материалоемкость, энергоемкость, комфортность работы механизатора и т.п. российские комбайны уступают мно-
гим зарубежным аналогам. Поэтому создание высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов, конкурентоспособных по своим удельным показателям, как на внутреннем, так и на внешнем рынке является на сегодняшний день одной из главных задач, стоящей перед научно-конструкторским и инженерно-техническим персоналом, работающим в индустрии зернопроизводства. Настоящая работа посвящена решению одной из задач в этом направлении.
Анализ конструкции клавиш, обеспечивающих дополнительное воздействие на грубый ворох
Данную группу изобретений можно в свою очередь разбить на две подгруппы-, первая - конструкции клавишного соломотряса, имеющие дополнительные устройства для воздействия на грубый ворох; вторая- конструкции клавиш соломотряса, позволяющие зерну быстрее просыпаться сквозь рабочую решетку соломотряса.
Рассмотрим изобретения, относящиеся к первой подгруппе. В клавишах соломотряса, предложенной группой ученых из Киргизского научно-исследовательского института земледелия, установлены ворошители, выполненные в виде гребенчатых пластин-1, которые воздействуют на ворох в вертикальной плоскости, за счет того, что они связаны с дополнительными шейками-2 коленчатых валов, имеющими больший радиус колена, чем у основных шеек. (Рис. 1.6). / 129 /
При вращении коленчатого вала, из-за разности радиусов основных и дополнительных шеек коленвала, вертикальные пластины совершают возвратно-поступательные движения относительно рабочей поверхности клавиш. В момент встречи клавиши с ворохом вертикальные пластины, движущиеся с большей скоростью чем клавиши, вспушивают ворох, создают над каждой клавишей шатрообразную форму слоя соломы, что способствует лучшему выделению зерна из вороха. Основным достоинством данного устройства является дополнительное воздействие на грубый ворох с целью увеличения его скважности. Недостатками данного типа ворошителя являются:
1) Сложность конструкции, существенное увеличение массы клавиши.
2) Созданные дополнительные динамические нагрузки на клавишу.
Конструкция соломотряса, представленная специалистами ГСКБ г. Таганрога, представляет собой ряд клавиш и пальцев-1, выполненных Г- образно, и закрепленных на боковой стенке клавиш. За каждый оборот клавиши палец осуществляет двойное колебание. При этом палец колеблется поперек клавиши, сообщая движения в таком же направлении вороху, движущемуся вдоль соломотряса. / 130 /.
При движении клавиши возникающие инерционные силы, приложенные в центре тяжести пальца, создают вращающий момент относительно оси. При изменении направления проекции перемещения клавиши на горизонтальную плоскость направление вращающего момента пальца также изменяется на противоположное. Таким образом за каждый оборот клавиши палец совершает двойное колебание, При этом палец колеблется поперек клавиши, сообщая движение в таком же направлении вороху, движущемуся вдоль соломотряса к выходу из молотилки (Рис. 1.7).
Главным достоинством данного устройства является то, что устройство создает дополнительные воздействия на ворох в горизонтальной плоскости, что увеличивает его скважность.
Недостатками данного предложения являются;
1) Сложность конструкции.
2) Созданные дополнительные динамические нагрузки на клавиши. Рис. 1.7. Схема соломотряса с активными пальцами. 1 - Г-образные пальцы.
Для улучшения сепарации зерна А.С. Тимошек / 131 /на каждой клавише размещает деформатор потока вороха, выполнен в виде спиральной пружины-1, нижний конец которой прикреплен к решетке клавиши, а верхний свободный конец снабжен грузом-2. Устройство разрыхляет и притормаживает ворох путем послойного воздействия вибрирующих витков пружин и ударов груза. (Рис. 1.8).
Клавиша, ударяя по вороху, перемещает его в направлении к выходу из соломосепаратора. Благодаря этому частицы вороха проникают в межвитковое пространство деформатора и поток как бы разделяется на слои. Вместе с решеткой клавиши круговое плоскопараллельное движение совершает и закрепленный конец пружины. Его перемещения воспринимают упругие витки и передают грузу, который в силу инерции приводит весь деформатор в сложное колебательное движение. Груз колеблется с наибольшей амплитудой в такт движения клавиши, а витки, в силу упругости к тому же еще и вибрируют. При этом каждый виток посылает импульсы сопряженному с ним слою вороха, а груз наносит резкие удары в момент смены направления скорости. Наиболее ощутимые удары приходятся как раз по верхним слоям, ближе всего располо 20 женным к точке равновесия груза. Поскольку пружины размещены поперек потока, то это создает притормаживающий эффект и увеличивает время воздействия. В результате ворох по всей толще постоянно находится в возбужденном состоянии, связи соломистых частиц в нем ослаблены, а зерна легче проходят через решетки соломы и клавиш. Благодаря этому сепарация улучшается. Недостатками данного устройства являются:
1) Пружины препятствуют продвижению вороха вдоль клавиши.
2) Созданные дополнительные динамические нагрузки на элементы конструкции клавиши.
Взаимодействие воздушной струи со слоем грубого вороха, находящегося на соломотрясе
Определим минимальную начальную скорость, необходимую для начала поворота соломины в слое грубого вороха.
Учитывая объем соломы, расположенной над клавишей соломотряса (рис.2.11), условие разворота соломин в слое грубого вороха можно записать в виде;
где кв - коэффициент, учитывающий равновероятное расположение соломи в пространстве объема; Yc - объемный вес свеженасыпанной соломы; Vc - объем соломы, попадающей под действие воздушной струи Не — толщина слоя соломы над клавишей.
Для эффективной работы аэродинамического активатора необходимо определить начальную скорость воздушной струи, с одной стороны обеспечивающую разворот соломин в ворохе, а с другой не дриводящую к потерям зерна за счет их выдувания.
Предположим, что скорость воздушного потока не должна превышать скорости витания зёрен, чтобы не препятствовать просыпанию зёрен сквозь решётку соломотряса. Критическая скорость для зерен пшеницы UKp, = 8,9...11,5 м/с. примем для расчетов UKp= 10,2 м/с. Исходя из теории свободной струи на начальном участке средняя скорость воздушной струи должна быть равной 2/3 икр.
Условие опрокидывания слоя соломы примет следующий вид: с л стр.
Примем следующие допущения: скорость струи, действующей на слой, является постоянной по всей высоте слоя и объем слоя грубого вороха, попа- дающего под воздействие воздушной струи равен объёму конуса, образованного воздушной струей..
Таким образом, критической для зёрен пшеницы скорости воздушного потока хватит, чтобы продуть слой грубого вороха равный по толщине 143 мм. Нужно учесть то обстоятельство, что толщина слоя грубого вороха на соломотрясе комбайна больше 143 мм.
Проведём необходимые вычисления, для того чтобы иметь примерное представление о том, какая начальная скорость должна быть у воздушного потока, чтобы обеспечить поворот соломин в слое вороха, высотой 400 мм (слой примерно такой высоты находится на соломотрясе комбайна «Дон - 1500»),
Таким образом для получения эффекта, т.е. для обеспечения начала разворота соломин в слое грубого вороха скорость воздушного потока должна быть не менее 17,5 м/с. В действительности скорость воздушной струи не явля 72 ется постоянной по высоте слоя вороха и уменьшается ввиду обсотятельств, из-ложенных на страницах 66-67. Очевидно, что реальная скорость воздушной струи будет значительно отличаться от расчетной ввиду того, что воздействие струи должно обеспечить разворот соломин на угол, достаточный для соскальзывания зерна по наклонной соломине (примерно 23), а вычисленная минимальная скорость воздушной струи обеспечивает разворот соломин в слое вороха на меньший угол. К тому же, при расчетах не были учтены многие факторы, которые могут влиять на процесс переориентации соломин в слое грубого вороха под воздействием воздушной струи. Так же теоретическое рассмотрение процесса переориентации соломин в слое грубого вороха под воздействием воздушной струи было сделано с учетом многих допущений и, как показали предварительные эксперименты, в известной степени отличается от действительной картины. Априорно можно предположить, что на процесс переориентации соломин оказывают влияние следующие факторы: скорость выхода струй из отверстия круглого сечения; диаметр выходного отверстия; высота продуваемого слоя; ширина продуваемого слоя; угол наклона струи в поперечной плоскости; угол наклона струи в продольной плоскости.
Для установления реальной картины взаимодействия воздушной струи со слоем грубого вороха максимально учитывающей перечисленные факторы, влияющие на данный процесс, целесообразно построить математическую модель процесса взаимодействия слоя грубого вороха с воздушной струей и установить, какие из перечисленных выше факторов в наибольшей степени влияют на данный процесс. Построение математической модели процесса взаимодействия воздушной струи со слоем грубого вороха
Построение математической модели начинается с построения уравнения регрессии. Для построения уравнения регрессии необходимо сначала выбрать результативный параметр, или так называемый критерий оптимизации, и входные факторы, влияющие на него.
Критерий оптимизации должен быть исчерпывающей характеристикой объекта исследования, иметь явный физический смысл и количественную оценку.
Как было сказано ранее, объектом исследования в нашем случае является процесс переориентации соломин в слое грубого вороха под воздействием воздушной струи. Анализ условий прохождения зерна сквозь слой грубого вороха при воздействии воздушной струи, выполненный выше, показал, что одной из основных характеристик переориентации соломин в слое вороха является разворот соломин на некоторый угол в вертикальной плоскости. Исходя из этого можно предположить, что критерием оптимизации должен быть угол разворота соломин. Но замерить величину угла разворота, т.е. получить количественную характеристику критерия оптимизации очень сложно, т.к. для замера угла необходимо зрительно зафиксировать точку, относительно которой происходит поворот соломины, приложить к этой точке инструмент (транспортир) и замерить угол. Поскольку все это нужно проделать в очень короткий промежуток времени и соломины в этот момент не находятся в состоянии покоя, то точность замера получится весьма низкой.
Влияние ширины слоя вороха Н на величину Е
Для того чтобы выяснить, какое влияние оказывает ширина продуваемого слоя а на величину Е был проведен эксперимент. Для этого величина а варьировалась в пределах: а- 300- 600 мм с интервалом варьирования 20 мм. Значения остальных факторов принимались равными: V-170 м/с; Н= 400 мм; d= 4 мм. Из рис. 3.13 видно; что ширина продуваемого слоя не влияет на величину Е. Это объясняется тем, что свод образуется только в неп осредстств енно й близости от зоны действия струи. Поэтому этот фактор при проведении ПФЭ учитывать не будем.
Влияние угла наклона струи в поперечной плоскости а на величину Е .
Для определения влияния угла наклона струи в поперечной плоскости а на величину Е был проведен ряд опытов. Значение а варьировалось в пределах от 5 до 30 с интервалом варьирования 5. Больший угол наклона струи делать не имело смысла, т.к. значительно уменьшилась бы величина вертикальной составляющей скорости струи, которая оказывает наибольшее влияние на разворот соломин. Значения остальных факторов принимались равными: V= 170мм; (і=4мм.; Н=400 мм.
Результаты эксперимента сведены в таблицу 3.5.
Зависимость величины Е от угла наклона струи в поперечной плоскости а. Из рисунка 3.14 видно, что угол наклона струи в поперечной плоскости а оказывает незначительное влияние на величину Е. 3.4.6 Влияние угла наклона струи в продольной плоскости (3 на величину Е. Для определения влияния угла наклона в продольной плоскости р на величину Е был проведен эксперимент. Значение 3 варьировалось в пределах от 5 до 30 с интервалом варьирования 5 Значения остальных факторов принимались равными: V=170MM; С1 4ММ., Н 400 ММ.
Результаты эксперимента сведены в таблицу 3.6.
Рис 3.15 Зависимость величины Е от угла наклона струи в продольной плоскости р. Из рисунка 3.15 видно, что как и в предыдущем случае угол наклона струи в продольной плоскости оказывает незначительное влияния на величину Е
(3.4)
Преобразовав таким образом факторы получим в плане эксперимента знак «+» для максимального значения фактора, знак «-» для минимального и «0» для центра или нулевого уровня.
В таблице 3.7 приведены условные обозначения факторов, уровни и интервал их варьирования.
Условные обозначения факторов, влияющих на процесс взаимодействия грубого вороха со струйным воздушным потоком уровни и интервал их варьирования.
Выбор методики планирования полного факторного эксперимента.
При планировании полного факторного эксперимента ставилась задача определения математической модели в виде уравнения второго порядка, адекватно описывающего процесс взаимодействия воздушной струи со слоем грубого вороха. Для определения коэффициентов уравнения был реализован экспериментальный план Хартли на гиперкубе, близкий по своим статистическим характеристикам к Д - оптимальному плану. В эксперименте использование Д -оптимальных планов предполагает варьирование факторов (для описания поверхности отклика полиномом второго порядка) только на трех уровнях вместо пяти уровней факторов у рототабельных, ортогональных и других. Это сокращает время проведения эксперимента и позволяет повысить точность результатов экспериментального исследования, поскольку Д-оптимальные планы и планы, близкие к ним, позволяют получить наиболее эффективные оценки коэффициентов уравнения модели.
При центральном композиционном планировании второго порядка общее число точек эксперимента N при п факторах определяется зависимостью:
.N=2n+2n+n0 (3.5)
В рассматриваемом случае ядром плана служит полуреплика полного факторного эксперимента 2""1. Тогда выражение (3.2) примет вид:
N= 2"-1 + 2n+n0, (3.6)
где 2n_1 - полуреплика много факторного эксперимента (ядро плана);
п - число факторов; 2" - число звездных точек; п0=1 - нулевая точка. При пяти варьируемых факторах имеем: N= 25Л+ 2-5+1=27 опытов. Матрица планирования эксперимента приведена в таблице 3.8.
Определение парка машин и ежегодного потребного выпуска
Внедрение усовершенствованного соломотряса, снабженного оборудованием, позволяющим воздействовать на соломистый ворох струйным воздушным потоком позволяет повысить пропускную способность соломотряса комбайна примерно на 20 %, что в свою очередь позволит увеличить производительность комбайна за час основного времени на 16,2%о, за час сменного времени на 16,3%, а за час эксплуатационного времени на 16,3%о. Внедрение усовершенствования позволяет снизить расход горючего в новом комбайне на 19,4%.
Комбайн эффективен во всех интервалах урожайности. Полная загруз ка молотилки обеспечивается при урожайности близкой к 35 ц/га. При этом получается максимальный годовой экономический эффект на один комбайн 80888 руб; на годовой выпуск комбайнов он составит 254,3 млн. руб. Годовая экономия затрат труда составит: на один комбайн - 34 чел.ч. Лимитная цена превышает оптовую - это гарантирует эффективное применение комбайнов в хозяйстве. Полученная предприятием прибыль составит - 1,420 млн. руб в год, что позволит окупить затраты за 2,7 года. 150 Общие выводы Увеличение производительности комбайна с классической схемой сдерживается главным образом за счет недостаточной удельной производительности соломотряса и очистки, причем из этих двух органов наиболее проблематичным представляется клавишный соломотряс т.к. с увеличением производительности за соломотрясом наблюдаются максимальные потери зерна. При решении вопроса увеличения производительности соломотряса особое внимание следует уделять интенсификации процесса прохождения зерна сквозь слой соломы, находящийся на соломотрясе. Ориентация соломин в слое грубого вороха в не меньшей степени, чем его скважность влияет на скорость просеивания зерна. Одним из перспективных методов переориентации соломин в слое грубого вороха для увеличения его проницаемости для зерна является воздействие на ворох с помощью воздушных струй. Из принятой схемы строения грубого вороха следует, что макси мально проницаемым слой вороха станет, если вертикальных соломин в еди нице объема вороха станет как можно больше, т.е. если горизонтальные со ломины при воздействии на них струи воздуха займут вертикальное или близкое к вертикальному положение. Одной из важнейших характеристик слоя грубого вороха является псевдоскважность, под которой понимается отношение общего числа соломин п0бщ в слое грубого вороха к модулю разности между количеством горизонтальных пг и вертикальных пв соломин: При воздействии воздушной струи на слой вороха грубого при со ответствующей схеме и допущениях выражение, описывающее зависимость
