Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Особенности растения гороха как объекта уборки 8
1.2 Способы уборки гороха. Применяемые машины 12
1.3 Обзор научно-исследовательских работ по обмолоту зернобобовых культур ...' 18
1.4 Способы адаптации молотильного барабана зерноуборочного комбайна к уборке зернобобовых культур 22
1.5 Цель и задачи исследований 27
2 Программа и методика исследований 28
2.1 Методика экспериментальных исследований 28
2.2 Прибор для определения коэффициента восстановления зерна при ударе 37
2.3 Стенд для изучения влияния конструктивных особенностей рабочих органов молотильного аппарата на показатели процесса обмолота 39
2.4 Измерительная аппаратура и погрешности измерений 42
3 CLASS Результаты экспериментально-теоретических исследований CLASS 44
3.1 Определение основного источника дробления зерна в комбайне . 44
3.2 Обоснование формы рабочей поверхности подбарабанья молотильного аппарата 45
3.3 Определение коэффициента восстановления зерна гороха при ударе 65
3.4 Прочность зерна гороха при статическом сжатии 76
3.5 Обоснование допустимого интервала окружной скорости барабана по критерию повреждаемости семян гороха 77
3.6 Определение эффективности снижения дробления зерна гороха при использовании упругого покрытия молотильного барабана 88
3.7 Определение оптимальных параметров обмолота зернобобовых культур 95
3.8 Выводы по разделу 100
4 CLASS Экономическая эффективность модернизации молотильного аппарата зерноуборочного комбайна для уборки гороха на семена CLASS 102
Общие выводы 107
Список использованных источников 108
Приложение 120
- Особенности растения гороха как объекта уборки
- Обзор научно-исследовательских работ по обмолоту зернобобовых культур
- Методика экспериментальных исследований
- Обоснование формы рабочей поверхности подбарабанья молотильного аппарата
Введение к работе
Зернобобовые культуры являются основным поставщиком растительного белка. Самая значимая культура из семейства бобовых - горох. Достоинства гороха заключаются в универсальности его использования для кормовых и продовольственных целей, повышении плодородия почвы, простоте и доступности технологий возделывания, приспособленности к разнообразным ландшафтным условиям зон, а также в повышенном содержании незаменимых аминокислот. Обладая особенностью использовать с помощью клубеньковых бактерий атмосферный азот, горох не только не истощает почву, а наоборот, обогащает ее азотом. После гороха в почве остается до 100 кг связанного азота на один гектар. Горох является одним из лучших предшественников под зерновые культуры.
В 80-е годы двадцатого века в Краснодарском крае посевные площади гороха достигали 150... 180 тыс. га при урожайности зерна 2,0...2,5 т/га, зелёной массы 6...10 т/га (в пересчёте на сухое вещество). До 1997 года шло снижение посевных площадей в крае (до 40 тыс. га), а с 1998 по 2003 год рост до 80 тыс. га. С 2004 года площадь под посевами гороха в крае варьирует в интервале 38...43 тыс. га. Урожайность гороха в значительной мере обусловлена природно-климатическими условиями и варьирует в очень широких пределах - от 1,24 т/га в засушливом 2003 году, до 2,7 т/га в 2001 году [22].
В России в настоящее время горох возделывается на площади менее 500 тыс. га, при средней урожайности 1,2 т/га.
Увеличение площадей, использование новых более урожайных и технологичных сортов позволит восстановить и увеличить объёмы валовых сборов зерна гороха.
Уборка урожая гороха является наиболее ответственным этапом технологии его возделывания.
Традиционно во всех регионах России, возделывающих горох, на уборке урожая используется раздельный способ уборки [24,27].
Однако раздельный способ уборки урожая имеет серьезные недостатки в сравнении с прямым комбайнированием. Раздельный способ уборки включает две фазы: первая — скашивание биомассы при влажности семян 30...40 % зернобобовыми или зерновыми жатками, а также косилками, снабжёнными валкообразователями; вторая - обмолот валков комбайнами при влажности семян 14...16 %. В сравнении с прямым способом уборки, при раздельном комбайнировании затраты труда увеличиваются минимум в 1,5 раза и зависят от погодных условий, складывающихся в период уборки. После скашивания зерно в валках должно снизить содержание влаги за счёт сушки в течение некоторого времени, что вызывает растрескивание бобов и осыпание зерна на почву. Наличие ветров, суховеев и тем более осадков в период подсушки валков может привести к 100 % -ной потере урожая. Средние потери гороха при уборке раздельным способом составляют 20.. .25 % валового сбора зерна.
Особенности растения гороха как объекта уборки
Горох - основная зернобобовая культур в нашей стране. Он обладает высокими пищевыми и кормовыми достоинствами и имеет большое агротехническое значение. Являясь азотофиксирующей культурой и обладая высокой усваивающей способностью корней, он использует труднорастворимые и малодоступные для злаков минеральные соединения не только из пахотного слоя, но и из более глубоких слоев. После гороха в почве остаётся до 100 кг связанного азота на один гектар. Горох в качестве предшественника способствует повышению эффективности использования органических удобрений последующими культурами, особенно зерновыми. Горох один из лучших предшественников под основную продовольственную культуру в Краснодарском крае - озимую пшеницу.
Способность зернобобовых культур повышать плодородие почвы особенно большое значение приобретает в настоящее время, когда до минимума сокращены применение органических и минеральных удобрений, а также проведение других мероприятий, направленных на сохранение и восстановление почвенного плодородия. Возделывание гороха в севообороте позволяет на 20 % сократить расход минеральных удобрений под основные культуры без снижения их продуктивности.
Горох - один из главных источников растительного белка для производства комбикормов. В расчете на одну кормовую единицу горох содержит 120... 185 грамм переваримого белка, в то время как кукуруза - 59, ячмень -70 и овес - 83 грамма [22].
С 2004 года площадь под посевами гороха в Краснодарском крае составляет 38...43 тыс. га-рисунок 1.1 [22].
Урожайность гороха в значительной мере обусловлена природно-климатическими условиями и варьирует в очень широких пределах - от 1,24 т/га в засушливом 2003 году, до 2,7 т/га в 2001 году - рисунок 1.1 [22].
По морфологическим признакам разновидностей гороха учитываются следующие признаки [21]: высота и форма стебля, длина междоузлий, наличие или отсутствие антоцианового полукольца у основания прилистников; типы и края листьев, окраска венчика и форма боба. По характеру стебель может быть простым, когда в пределах его части цветки и соответственно бобы расположены равномерно, на определённом расстоянии один от другого, и фасциированный (штамбовый), когда цветки и бобы расположены скученно.
На переходе от стебля к корневой системе расположена мацерирован-ная шейка (см. рисунок 1.3), характеризующаяся слабой механической прочностью. Это свойство шейки используется в разработанном нами способе уборки гороха непосредственно подборщиком комбайна [86].
По высоте стебля горох подразделяют на следующие категории: низкий - до 50 см; полукарликовый - 51...80 см; средней длины - 81... 150 см; высокий - 150 см и более.
Длина стебля может изменяться в зависимости от условий возделывания. Неравномерное созревание семян на растении, полегаемость, растрес-киваемость бобов затрудняют механизированную уборку гороха. Характеристика некоторых наиболее распространенных сортов гороха, выведенных сотрудниками лаборатории селекции и первичного семеноводства гороха ГНУ «Краснодарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко» (ГНУ КНИИСХ), приведена в таблице 1.1[21].
Обзор научно-исследовательских работ по обмолоту зернобобовых культур
Зерноуборочный комбайн создавался в первую очередь для обмолота зерновых колосовых культур. Поэтому, для обмолота других культур молотильный аппарат адаптировался к новым условиям путём изменения параметров рабочей щели и кинематического режима работы барабана, а также установкой дополнительных рабочих органов.
Значительный вклад в изучение процессов обмолота и развития конструкций молотильных устройств внесли В.А. Желиговский [57], М.А. Пусты-гин [99], И.Д. Василенко [33,34], Б.И. Турбин [116], М.В. Сабликов [104].
Решению отдельных вопросов процесса обмолота разных культур и совершенствованию конструкций молотильных аппаратов посвящены работы А.Н. Гудкова [51,52,53], В.В. Деревенко [54]. А.С. Комарова [69], Т.И. Егоровой [59,60], Н.Ф. Игнатовского [63], Г.М. Гинько [35,36,37,38,39,40], Г.И. На зарова [78,79], В.А. Сакуна [105,106,107], А.И. Филиппова [61,117] и ряда зарубежных авторов [122,123,124,125].
Большой вклад в теорию молотильно-сепарирующих устройств внесли Н.И. Клёнин [67], Э.И. Липкович [73] и Э.В. Жалнин [56]. В настоящее время создана стройная теория процесса обмолота и сепарации, состоящая из двух взаимосвязанных математических моделей: - модель динамики барабана; - модель технологического процесса работы барабана;
У истоков динамической модели стояли В.П. Горячкин [41], М.А. Пус-тыгин [100], М.Н. Летошнев [72], В.Г. Антипин [18], С.А. Алфёров [16] и Э.И. Липкович [73].
На основании этих моделей можно определить мощность на работу молотильного аппарата и основной параметр подбарабанья: его длину. Используя технологическую математическую модель можно описать схему выделения зерна из соломистого вороха, но эта модель не даёт ответа на вопрос о влиянии неравномерности изменения зазоров между барабаном и подбара-баньем при изменении зазоров на входе и выходе подбарабанья имеющим постоянный рабочий радиус. Уменьшая или увеличивая зазоры на входе и выходе, мы допускаем создание «карманов» или «горбов», влияние которых на дробление зерна не изучено. Практически не изучен вопрос о влиянии эластичных покрытий рабочих органов молотильно-сепарирующих устройств на качественные показатели процесса обмолота.
В середине двадцатого века стали появляться отдельные работы, посвященные изучению физико-механических свойств гороха. Так в частности, вопросами прочности семян зернобобовых культур посвящены работы В.П. Мартиросовой [76], А.А. Жукова [58], В.М. Халанского [119], С.Д. Птицина [97].
В.П. Мартиросова определила величину усилия, потребную для раздавливания семян в зависимости от влажности и крупности. Для сорта Ра менский-77 усилие раздавливания составило в среднем 29,2 кг, а для сорта Уладовский 303 - 28 кг.
В.М. Халанский [119] нашёл зависимость дробимости зерна от количества ударов наносимых по зерну от материала бича и его скорости. Он установил, что прочность зерна различных сортов гороха варьирует в широких пределах. Наименее прочным оказался сорт Торсаг (порог дробления 7,5 м/с). Порог дробимости у сорта Тимирязевский наблюдался при скорости 10,2 м/с, у сорта рядовой - 11 м/с, у Раменского - 12.5 м/с. Однако им не установлены численные значения величины усилий, потребных для разрушения семян гороха.
В работе Н.П. Гречачина [49] установлено, что при многократном ударном воздействии на семена количество повреждённых зерен возрастает, и оно зависит от количества ударов и скорости бича. При однократном ударе со скоростью 14 м/с повреждалось 9,6 % зерна, а при скорости 18 м/с 16,0 %. При пятикратном ударе и тех же скоростях количество повреждённого зерна увеличивалось примерно вдвое.
СВ. Мельников [76] и Р.Г. Плохов [96] определили механические свойства гороха сорта Капитал. Ими установлено, что нагрузка в момент разрушения зерна составляет 10,9...20,0 кг.
В своей работе Н.В. Калашникова [65] приводит размерно-массовую характеристику гороха, фасоли, сои и вики. Она также определила коэффициенты корреляции, связывающие попарно размеры зерна с его весом, объёмом и плотностью семян.
Н.В. Калашниковой установлено: - понижение влажности створок облегчает их раскрытие, повышение увеличивает прочность боба. У гороха сорта Уладовский 303 работа потребная для разрушения бобов при влажности 23,9 % составляет 8,6 кг/мм, а при влажности 10,4 % - 2,5кг/мм. - с увеличением диаметра прочность стебля повышается и её изменение имеет линейный характер.
Методика экспериментальных исследований
Программой теоретических исследований предусматривалось: 1. Обосновать форму рабочей поверхности подбарабанья молотильного аппарата зерноуборочного комбайна для обмолота гороха. 2. Разработать методику определения коэффициента восстановления семян при ударе. 3. Определить допустимый интервал окружной скорости барабана по критерию дробления семян гороха. 4. Установить влияние материала рабочих органов молотильного аппарата на процесс обмолота гороха.
В программу экспериментальных исследований входило: 1. Определение основного источника дробления зерна в комбайне. 2. Установление влияние конструктивных особенностей подбарабанья на качественные показатели процесса обмолота гороха. 3. Нахождение коэффициента восстановления семян гороха при ударе. 4. Определение прочностных характеристик семян гороха. 5. Установление влияния материала рабочих органов молотильного аппарата на качественные показатели процесса обмолота зернобобовых культур.
Экспериментальная часть работы была выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ»), а также в лаборатории селекции и первичного семеноводства гороха ГНУ КНИИСХ. Исследования про водились на специально сконструированных приборах и установках, а также модернизированном комбайне Сампо-500. В опытах использовались семена гороха селекции ГНУ КНИИСХ. Условия проведения испытаний определялись по ГОСТ 20915-75 [47]. Полевые испытания машин проводились на полях ГНУ КНИИСХ в соответствии с ОСТ 10 1.3-2000 [80].
Влажность зерна определялась по ГОСТ 12041-82 [44]. При оценке показателей качества процесса обмолота применялся ГОСТ 12037-81 [43]. Масса 1000 зерен определялась по ГОСТ 10842-76 [42]. Отбор проб зерна производился по ГОСТ 13586.3-83 [45]. При определении примеси использовался ГОСТ 12037-81 [43]. Всхожесть семян определялась по ГОСТ 12038-84 [46].
Для оценки качественных показателей работы приборов и установок нами были разработаны частные методики исследований.
Проведение полевых исследований для выявления повышенного источника дробления зерна гороха рабочими органами комбайна включает: 1. Выбор поля; 2. Определение влажности зерна гороха; 3. Определение режимов работы комбайна; 4. Определение и подготовка мест отбора проб (снятие защитных щитков) для доступа к подбарабанью, клавишам соломотряса в месте оте кания выделенного зерна гороха во время обмолота.
Для эксперимента использовался комбайн «Сампо-500» отрегулированный в соответствии с рекомендациями [27], разработанными ГНУ КНИИСХ и ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ».
Исследования проводили при числе оборотов молотильного барабана п = 400 мин _1 и величине зазоров на входе и на выходе из рабочей щели соответственно 28 мм и 14 мм. Место проведения исследования - участок размножения новых сортов гороха лаборатории селекции и первичного семеноводства гороха ГНУ КНИИСХ. Материал исследований - сорт гороха «Аргон». Влажность зерна во время уборки составляла 15 %. Отбор проб производили в трёхкратной повторности. Масса одной пробы составляла 100 г.
Обоснование формы рабочей поверхности подбарабанья молотильного аппарата
Параметры молотильного аппарата должны обеспечивать захват массы на входе в рабочую щель и создание условий для её тонкослойного перемещения по рабочей щели. Поэтому одной из задач настоящего исследования является изучение взаимосвязей между основными параметрами рабочей щели. Для анализа этих связей сделаем следующие допущения: - молотильный барабан выполнен в виде гладкого сплошного цилиндра с радиусом RB; - подбарабанье выполнено в виде ограниченной по углу гладкой цилиндрической поверхности с радиусом Rn.
Рабочая щель, образуемая барабаном и подбарабаньем, может быть охарактеризована следующими параметрами (рисунок 3.2): 4 п - угол охвата барабана подбарабаньем, образуемый двумя координатными лучами, исходящими из центра окружности барабана и проходящие через крайние точки подбарабанья; ZBX - зазор между барабаном и подбарабаньем на входе в рабочую щель; ZBblx - зазор между барабаном и подбарабаньем на выходе из рабочей щели;
Зазор между барабаном и подбарабаньем, определяется расстоянием между точками барабана и подбарабанья, лежащими на одном координатном луче полярной системы координат с полюсом в центре окружности барабана;
В этой системе координат расстояние до любой точки подбарабанья будет определяться радиус-вектором р и углом, отсчитываемым от полярной оси. Полярную ось проведём через координатную точку подбарабанья, расположенную на входе в рабочую щель. Отсчёт текущего угла ф будем проводить от полярной оси против часовой стрелки.
В этой системе координат величина зазора между барабаном и подба-рабаньем определится как разность Z = p-RB, (3.1) где Z - зазор между барабаном и подбарабаньем, м; р - текущее значение радиус-вектора, м; RB - радиус барабана, м. Уравнение окружности подбарабанья в полярной системе координат имеет вид р2+ ре2 - 2ppeCos(q - ср) = Rn2, (3.2) где ре- величина эксцентриситета центра окружности подбарабанья, м; фДц - угловая координата центра окружности подбарабанья. град; Rn - радиус окружности рабочей поверхности подбарабанья, м; Ф - текущее значение угла поворота радиус-вектора, град. На входе в рабочую щель текущее значение радиус-вектора будет иметь максимальное значение Ртах— Б вх? где ртах - текущее значение радиус-вектора, м; ZBX - величина зазора на входе в рабочую щель, м. Текущее значение угла поворота радиус-вектора в этом случае будет равно нулю, т.е. Со8(фдц - ф) = Соэфдц, Следовательно, в этом случае уравнение (3.2) примет вид Р2тах+ Р2е 2 Ртах " Ре COS фдц = R„2. (3.3) На выходе из рабочей щели текущее значение радиус-вектора будет иметь минимальное значение
Pmin- -К-Б "" вых Текущее же значение угла поворота радиус-вектора в этом случае будет максимальным, т.е.
При этом подкоренное выражение в уравнении (3.24) берётся только со знаком плюс, так как решение со знаком минус характеризует зазор между подбарабаньем и другой стороной барабана.
Минимум функции будет смещён относительно точки максимума на ±л, то есть минимум функции имеет место в точке p = (рдц± , Минимальное значение функции Zmin = -pe±Rn-RB. (3.27)
Такие параметры молотильного аппарата как RB ,ZBX, ZBiJX и рп обычно выбираются на основе опыта конструирования и эксплуатации комбайнов. Радиус же подбарабанья для создания условий тонкослойного распределения массы по подбарабанью должен обеспечивать плавное уменьшение зазора от входа к выходу рабочей щели.
С целью обоснования радиуса подбарабанья рассмотрим геометрическую задачу о проведении окружности через две точки с координатами Мі(ф = 0;р = ртах) и М2(Ф = срп; Р Ртт) - рисунок 3.3.
