Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 9
1.1 Биометрические показатели растений 9
1.2 Обзор существующих режущих аппаратов 11
1.3 Исходные требования на базовые машинные технологические операции 21
1.4 Обзор теоретическо-экспериментальных исследований 24
1.5 Краткие выводы, цель и задачи исследований 28
2 Теоретические исследования 30
2.1 Обоснование условия резания стеблей со скольжением в шнековом режущем аппарате 32
2.2 Сопротивление сегмента шнекового режущего аппарата при движении машины 36
2.3 Резание стеблей при статическом и динамическом действии силы 41
2.4 Геометрические характеристики шнекового режущего аппарата и условия движения стебля 44
2.5 Дифференциальное уравнение движения шнека вокруг неподвижной оси 48
2.6 Мощность, затрачиваемая на работу режущего аппарата 52
2.7 Сравнительная характеристика режущих аппаратов 56
2.8 Математическая модель оптимизации параметров и режимов работы зерноуборочного комбайна 58
2.9 Зависимости эксплуатационно-технических показателей от параметров и режимов работы машин 64
2.10 Краткие выводы 72
3 Методика и оборудование для проведения исследований 75
3.1 Экспериментальные установки 75
3.2 Изучение процесса резания стеблей в полевых условиях 86
3.3 Методика планирования эксперимента 93
3.4 Краткие выводы 99
4 Результаты экспериментальных исследований 100
4.1 Результаты изучения процесса перемещения и резания стеблей в лабораторных условиях 100
4.2 Изучение резания стеблей в полевых условиях 108
4.3 Результаты оптимизации параметров и режимов работы универсального шнекового режущего аппарата 116
4.4 Краткие выводы 125
5 Экономическая эффективность результатов исследования 128
Заключение 131
Список литературы 134
Приложения 149
- Обзор существующих режущих аппаратов
- Математическая модель оптимизации параметров и режимов работы зерноуборочного комбайна
- Изучение процесса резания стеблей в полевых условиях
- Результаты оптимизации параметров и режимов работы универсального шнекового режущего аппарата
Обзор существующих режущих аппаратов
Режущие аппараты уборочных машин можно классифицировать на сегментные и ротационные (рисунок 1.4).
По способу резания режущие аппараты косилок делятся на две группы: совершающие бесподпорный и подпорный срез растений [113]. По виду траектории движения рабочих органов можно разделить на совершающие возвратно-поступательное и вращательное движение ножей.
Рабочий орган косилок, совершающих подпорный срез, осуществляет возвратно-поступательное движение ножа при скорости резания до 20–30 м/с, бесподпорный срез при вращательном движении ножей со скоростью резания 40–70 м/с.
Низкая скорость резания и наличие больших сил инерции являются основными недостатками режущего аппарата сегментно-пальцевого типа. При этом вращательное движение необходимо изменять в возвратно-поступательное.
К достоинствам ротационных косилок можно отнести способность осуществлять технологический процесс среза на высоких поступательных скоростях [60, 69, 131].
Косилки с сегментно-пальцевым режущим аппаратом работают при поступательной скорости 5–10 км/ч, а с роторным аппаратом – 10–15 км/ч.
Косилки с роторным рабочим органом потребляют больше мощности (15– 19 л. с. на 1 м рабочей ширины захвата, а у косилок с пальцевым режущим аппаратом – 8–12 л. с. и у косилок с двухножевым режущим аппаратом – 11–14 л. с.). Применение косилок с ротационным рабочим органом обладают более высоким КПД, так как на процесс среза расходуют 60–65 % подводимой энергии, у других косилок этот показатель составляет лишь 30–40 % [129].
При срезе подпорным способом растений используют сегментные аппараты, скорость которых составляет 1–3 м/с. Скорость перемещения косилки с трактором 2–6 км/ч [92].
Некоторые образцы косилок и жаток с различными режущими аппаратами представлены на рисунках 1.5–1.10.
Для исследования общей обстановки, тенденций, и направлений в конструкциях режущих аппаратов, нами был проведен обзор патентного материала. Для его проведения использовалось российское патентное хранилище www.fips.ru [128] (Федеральный институт промышленной собственности).
В результате патентного анализа можно заметить, что рядом авторов предложен шнековый режущий аппарат, однако представленные конструкции допускают выскальзывание растений из режущей пары и не обеспечивают дополнительного измельчения и сбора стеблей.
Основным рабочим органом предлагаемого нами режущего аппарата является шнек, поэтому представим классификацию винтовых транспортеров (шнеков).
В зависимости от вида перемещаемого материала и назначения шнеки бывают (рисунок 1.11) [24, 59]:
– сплошные – для сыпучих и жидких грузов;
– ленточные – для крупнокусковых и слипающихся грузов;
– лопастные – для сильно слипающихся и волокнистых грузов для активного их перемешивания;
– спиральные – для криволинейного перемещения в гибких трубопроводах.
По направлению навивки шнеки можно классифицировать на:
– левые;
– правые;
– комбинированные.
По числу заходов на:
– однозаходные;
– многозаходные.
В результате анализа аппаратов для среза сельскохозяйственных культур предлагается универсальный шнековый режущий аппарат, осуществляющий как подпорный, так и бесподпорный срез (рисунок 1.12). Противорежущими элементами являются сегменты. Режущей частью является шнек с различными дополнительными режущими элементами.
Новый режущий аппарат должен быть универсален – обладать возможностью использования его как в жатках зерноуборочных комбайнов, так и косилках. При этом аппарат должен обладать многофункциональностью.
При возделывании садов и виноградников по интенсивной технологии, где используется залужение междурядий с мульчированием приствольных полос может быть использован данный аппарат [60]. Залужение междурядий предусматривает многократное скашивание травостоя за период вегетации и транспортирование измельченной массы в приствольную полосу.
Скашивание травы в междурядьях и покрывание приствольной полосы мульчирующим материалом целесообразно объединить в одну технологическую операцию.
Предлагаемый режущий аппарат может быть так же использован в конструкции жатки зерноуборочного комбайна, поэтому рассмотрим классификацию технологий уборки зерна.
Описанию современных технологий уборки зерновых культур изложены во многих публикациях последних десяти лет [4, 11, 39, 40, 41, 43, 45, 46, 96, 100, 106, 107, 108,109,132, 134].
Анализ данных работ позволил выявить пять самых распространенных вариантов технологий уборки зерновых культур (рисунок 1.8): однофазная, двухфазная, с очесом и др. (рисунок 1.13).
Структура перспективного типажа валковых жаток и хедеров по Э. В. Жалнину [42] представлена на рисунке 1.14.
Математическая модель оптимизации параметров и режимов работы зерноуборочного комбайна
Математическая модель оптимизации параметров технических средств уборочно-транспортного звена (УТЗ) и их режимов работы объединяет технологические и производственные условия (F, U, Lp), конструктивные параметры комбайнов и накопителей-перегрузчиков (Bp, Vб, Vнп), режимы работы комбайнов и тракторов (Vр, Nek , Neт р ), которые связаны целевой функцией Ез – минимумом затрат совокупной энергии на выполнение производственных процессов уборки и транспортировки зерна [1, 2, 66, 112, 114]: где Еijk- і-ая составляющая общих затрат энергии j-го агрегата на к-ой сельскохозяйственной работе, МДж/ч; Wjk- производительность j-го агрегата на k-ой сельскохозяйственной работе, т/ч; Лэ - энергетический эквивалент дизельного топлива, МДж/кг; qтjk - удельный расход топлива при выполнении k-ой работы j-м агрегатом, кг/т.
Условия:
1. Выполнения всего объема к-х работ Fk в заданные агротехнические сроки Др:
2. Убранный урожай должен быть одновременно доставлен накопителем перегрузчиком:
Wjk-nкTсм=Wнпjk-nнпTсм; (2.55) где nк - число комбайнов, имеющих жатки с предлагаемыми шнековыми режущими аппаратами, шт.; Пнп - число накопителей-перегрузчиков, шт.; Wнп - производительность накопителя-перегрузчика, т/ч; Тсм - рабочее время смены, ч.
3. Положительных значений переменных: j 0; к 0; пк 0; Пнп 0; Тсм 0; Fk 0; Др 0. (2.56)
Ограничения: Пропускной способности молотилки зерноуборочного комбайна q (кг/с): где Вр - рабочая ширина захвата жатки комбайна, м (4-12 м); Vp - рабочая скорость движения комбайна, км/ч (3-12 км/ч); U - урожайность зерна пшеницы, т/га (4–10 т/га); 5c - соломистость убираемого урожая.
В структуру УТЗ входит зерноуборочный комбайн с жаткой, содержащей предлагаемый универсальный шнековый режущий аппарат и накопитель-перегрузчик, соединенный с колесным трактором.
Целью оптимизации является нахождение оптимума (минимума) общих затрат энергии на процессы уборки и транспортировки зерна.
На рисунке 2.24 представлена блок-схема алгоритма оптимизации параметров машин УТЗ.
В 1-м операторе представлены данные для расчета:
F - уборочная площадь пшеницы;
U - урожайность пшеницы;
Lр - длина гона;
Вр - ширина захвата жатки с предлагаемым шнековым режущим аппаратом; Vp - рабочая скорость движения комбайна;
Унп - емкость накопителя-перегрузчика;
Др - продолжительность уборки;
- коэффициент использования времени смены.
Выражение для определения емкости бункера комбайна Vб (оператор 4) принято с учетом исследований Э. В. Жалнина, представленных в работах [42, 44] для пропускной способности комбайна 3-12 кг/с и свыше 12 кг/с.
Соотношение между массой комбайна Gк от его пропускной способности q (оператор 19) приняты также по работам Э. В. Жалнина [42, 44] для пропускной способности комбайна до 8 кг/с, 8-11 кг/с и свыше 11 кг/с.
Соотношение мощность двигателя N - пропускная способность q (оператор 20), приняты N = 35q - 25 (3 q 12 кг/с) и N = 42q - ЗО (12 q 30 кг/с) [42, 44].
Соотношение масса накопителя-перегрузчика Gнп = е0,191пУнп+8Д6 (оператор 21) и его мощности = е"3 0810 Gн п+0 449-lnGн п+0 131-10 Gн п (оператор 23) приняты по проведенным ранее исследованиям [1, 2].
В блоке 30 складываются затраты энергии на рабочий процесс комбайна Ерпр (24); затраты Еж живого труда (комбайнов и водителей транспортных средств) - оператор 25; на производство комбайнов Ек (26); накопителя-перегрузчика Енп(27); трактора, агрегатирующего накопитель-перегрузчик Ен п (28); прямые затраты энергии на топливо Ет (29).
Блок-схема выполнена нами по специально разработанной схеме программе MathCad (приложение Ж).
Разработана математическая модель оптимизации параметров и режимов работы для двух уборочных агрегатов: серийного зерноуборочного комбайна с выпускаемой зерноуборочной жаткой и с предлагаемым режущим аппаратом (таблица 2.2, рисунок 2.25).
Изучение процесса резания стеблей в полевых условиях
Для изыскания возможностей модернизации универсальным шнековым режущим аппаратом проводились исследования возможности работы жатки без мотовила.
Целью исследований являлась проверка возможности уборки зерновых колосовых культур без использования мотовила и установки универсального шнекового режущего аппарата.
Полевые исследования проводились с использованием зерноуборочного комбайна Tucano 450 с жаткой С660 (выпущенным ООО «Claas», г. Краснодар).
Исследования проводились с использованием ГОСТ 28301-2015 «Комбайны зерноуборочные. Методы испытаний» [28].
Длина учетных делянок по ГОСТ 28301-2015 составляли не менее 50 м на каждом режиме проводилось не менее трех повторностей (приложение З).
Сравнивались прямые потери зерна за комбайном при уборке пшеницы с использованием и без использования мотовила при рабочих скоростях от 5 до 8 км/ч (рисунки 3.19, 3.20).
Комбайн работал с измельчителем соломы.
Потери зерна замерялись рамкой площадью 1 м2 (рисунки 3.23–3.28). Все потери (колосья, зерно) складывались в мешочки, подписывались номера эксперимента и затем зерно взвешивалось на весах (ВК-300.1).
Также проводились экспериментальные исследования с использованием зерноуборочного комбайна Torum 740 с жаткой Power Stream 700 (выпущенным ООО «Комбайновый завод «Ростсельмаш», г. Ростов-на-Дону) – рисунки 3.29– 3.30.
Проводились экспериментальные исследования комбайна Lexion 580 с жаткой Geringhoff Rota Disc RD 1200 B по определению неравномерности среза стеблей при уборке кукурузы на зерно (рисунки 3.35–3.37).
Проводились экспериментальные исследования комбайна Torum 740 с жаткой OptiCorn-870 по определению неравномерности среза стеблей кукурузы при уборке на зерно (рисунки 3.38–3.40).
Для проведения исследований использовалась полевая экспериментальная установка, состоящая из русла 1 с лапками 2 цепи 3 для перемещения стеблей кукурузы со срезанной верхушкой. Последние срезал шнековый режущий аппарат 4 открытого типа (рисунок 3.41).
При этом регулировалась частота вращения шнека, сменой звездочки 5 и высота расположения режущего аппарата над поверхностью земли.
Результаты оптимизации параметров и режимов работы универсального шнекового режущего аппарата
Результаты статистической обработки для стеблей подсолнечника, кукурузы, пшеницы по высоте среза, длине измельченных стеблей при срезании, количеству несрезанных стеблей после резания представлены в приложении 7.
Полученные результаты обработали в программе Mathcad, что позволили установить корреляционно-регрессионную зависимость между параметром оптимизации и факторами (приложение Е).
Данные по дисперсии показаны в таблице 4.11.
Значения коэффициентов регрессии для стеблей подсолнечника и кукурузы показаны таблице 4.12.
По F-критерию проверяли адекватность модели (таблица 4.14). Теоретические данные по критерию Фишера принимались при уровне значимости 5 %.
Полученные данные критерия Фишера по высоте среза стеблей, длине измельченных стеблей, количеству несрезанных стеблей меньше теоретических значений, что показывает адекватность полученных моделей. Таблица 4.14 Получили следующее уравнение регрессии для высоты среза стеблей подсолнечника после математической обработки экспериментальных данных (мнимые коэффициенты): FCp = 111,45 + 0,13 мі + 5,9ІМ2 + 20,57 M3 --l,l-jcrJC2 + 2,475-JcrJC3 +l,125-JC2-JC3 - 0,7-JcJ + 3,3-JC + 9,5-х2ъ, (4.1) где Fcp - высота среза стеблей, мм
Изучим поверхность отклика в системе X-Y-Z, допустив постоянство одного выбранного фактора. Выполним анализ зависимости высоты среза стеблей (ГСр) от частоты вращения шнека (пш) и угла наклона режущего сегмента (ас) при постоянном значении шага сегментов (/с).
При шаге сегментов /с = 180 мм происходит увеличение высоты среза стеблей от 133 до 150 мм за счет увеличения оборотов с 200 до 800 мин"1 (рисунок 4.26, а).
При шаге сегментов /с = 60 мм высота среза стеблей изменяется от 96 до 111 мм с возрастанием угла наклона режущего сегмента до 90 град (рисунок 4.26, б).
Анализируя зависимость высоты среза стеблей (Гср) от частоты вращения шнека (пш) и шага сегментов (/с) при постоянном значении угла наклона режущего сегмента (60 град), можно увидеть увеличение высоты среза от 60 до 153 мм при изменении шага сегментов от 60 до 180 мм (рисунок 4.27, а), а также при постоянном значении угла наклона режущего сегмента растет высота среза (рисунок 4.27, б).
При п = 200 мин1 Гср = 99-150 мм при /с = 60-180 мм (рисунок 4.28, а). Тоже происходит при п = 800 мин"1 (рисунок 4.28, б).
В результате решения системы координаты центра поверхности отклика равны: х1 = -0,844; х2 = -0,879; х3 = -0,921.
Подставляя в уравнение (4.1) значения х1, х2, х3 получим значение параметра оптимизации в центре поверхности отклика Ys = 99,328 мм, где Ys – значение отклика в новом начале координат (свободный член канонического уравнения) – рисунки 4.29–4.31.
В результате анализа данных, можно рекомендовать оптимальное сочетание факторов для среза стеблей подсолнечника: nш = 247 мин-1; с = 34 град; lc = 65 мм. При этом Yср = 99 мм (при заданной в начале эксперимента 100 мм).
Оптимальное сочетание исследуемых факторов для среза стеблей кукурузы (обратное вращение шнека): nш = 564 мин-1; с = 33 град; lc = 244 мм. При этом Yср = 141 мм, что на 41 % отличается от заданной в начале эксперимента (100 мм).
Оптимальное сочетание исследуемых факторов для среза стеблей пшеницы: nш = 653 мин-1; с = 49 град; lc = 123 мм. При этом Yср = 140 мм, что на 40 % отличается от заданной в начале эксперимента (100 мм).
Длина измельченных стеблей
Уравнение регрессии для длины измельченных стеблей (мнимые коэффициенты): Yиз = 165,581 – 0,43х1 + 2,12х2 + 5,94х3 + 1,162х1х2 + 1,512х1х3 + 12,088х2х3 – 17,581х12 + 4,569х22 – 9,031х32 , (4.22) где Yиз – длина измельченных стеблей, мм
Рекомендуется оптимальное сочетание исследуемых факторов для среза стеблей подсолнечника: пш = 552 мин1; с = 77 град; /с = 86 мм. При этом Гнс = 0,01 шт.
Рекомендуемое сочетание исследуемых факторов для среза стеблей кукурузы (обратное вращение шнека): пш = 641 мин1; с = 68 град; /с = 125 мм. При этом Гнс = 0,03 шт.
Рекомендуемое сочетание исследуемых факторов для среза стеблей пшеницы: пш = 829 мин1; с = 69 град; /с = 118 мм. При этом Гнс = 0,3 шт.
Сводные данные по изученным культурам отражены в таблице 4.18.
Рекомендуются следующие параметры и режимы работы (таблица 4.15):
- для бесподпорного среза стеблей подсолнечника: пш = 431 мин1; с = 54 град; /с = 92 мм;
- для бесподпорного среза стеблей кукурузы (обратное вращение шнека): пш = 532 мин1; с = 51 град; /с = 180 мм.
- для бесподпорного среза стеблей пшеницы: пш = 623 мин1; с = 56 град; /с = 127 мм.
В результате проведенных исследований по выбору конструкции режущего аппарата нами были экспериментально проверены в полевых и лабораторных условиях 7 вариантов разработанных и изготовленных экспериментальных вариантов (таблица 4.16).