Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Обзор работ по исследованиям способов уборки льна 11
1.2. Анализ устройств для отделения семенной части урожая от стеблей льна 15
1.3. Анализ научных работ в области очесывающих аппаратов 22
1.4. Разработка вальцово-гребневого аппарата 26
1.4.1. Обоснование необходимости разработки 28
1.4.2. Схема вальцово-гребневого аппарата, принцип его работы 30
1.5. Цель и задачи исследования 40
2. Исследование фозико-механических свойст вкоробочек льна 42
2.1. Программа исследований 42
2.2. Планирование эксперимента и методика обработки опытных данных 43
2.3. Методика проведения исследований 44
2.4. Методика подготовки опытных образцов 45
2.5. Методика определения усилия раздавливания коробочек 46
2.6. Методика определения усилия отрыва раздавленных и нераздавленных коробочек 47
2.7. Анализ результатов исследований 49
2.8. Обоснование выбора конструкции плющильных вальцов 51
3. Теоретические исследования параметров и режимов работы валыдово-гребневого аппарата 61
3.1. Исследование факторов, влияющих на качество работы и расчет параметров очесывающего аппарата 62
3.2. Обоснование формы конца зуба 70
4. Экспериментальные исследования работы вальцово-гребневого аппарата для льна 76
4.1. Программа лабораторных исследований 76
4.2. Устройство и принцип действия экспериментальной установки 77
4.3 Техника и порядок проведения опыта 79
4.4 Результаты исследований работы плющильных вальцов 84
4.5 Результаты исследований работы очесывающего барабана 86
4.6 Результаты исследования работы вальцово-гребневого аппарата 91
5. Сравнительные испытания предлагаемого вальцово-гребневого аппарата и гребневого аппарата стандартной конструкции 97
5.1. Программа лабораторных исследований 97
5.2. Устройство и принцип действия экспериментальной установки 98
5.3 Планирование активного эксперимента и методика обработки опытных данных 101
5.4. Техника и порядок проведения опыта 105
5.5. Результаты сравнительных испытаний 107
6. STRONG Экономическая эффективеость от применения вальцово-гребневого аппарата ПО
Выводы по работе STRONG 112
Список использованных источников 114
Приложения 124
- Анализ устройств для отделения семенной части урожая от стеблей льна
- Исследование факторов, влияющих на качество работы и расчет параметров очесывающего аппарата
- Результаты исследований работы очесывающего барабана
- Устройство и принцип действия экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность темы. Переход сельского хозяйства и промышленной индустрии России на новые экономические отношения вызвал диспропорцию цен на продукцию льнопроизводящей и промышленной отраслей. При этом общеизвестно, что значительным резервом увеличения производства льнопродукции является более полное использование потенциала имеющейся техники и оборудования. Острая необходимость в модернизации льноуборочной техники продиктована потребностью увеличения производства длинного льноволокна и семенного материала высокого качества. Следовательно, научные исследования, направленные на разработку и совершенствование технических средств для увеличения производства длинного льноволокна и семенной части урожая, являются актуальными и имеют важное народнохозяйственное значение.
Научная проблема сформулирована как повышение получения длинного льноволокна и качественных семян путем совершенствования вальцово-гребневого очесывающего аппарата подборщика-очесывателя ( приложение 3), используемого для раздельной уборки льна. При использовании более совершенного вальцово-гребневого очесывающего аппарата резко снижается отход стеблей в путанину и повышается количество качественных семян.
Целью исследования является уменьшение отхода стеблей в путанину и повышение полноты отделения семенной части урожая от стеблей льна путем применения усовершенствованного вальцово-гребневого очесывающего аппарата, обоснование его параметров и режимов работы.
Народнохозяйственное значение данной работы состоит в увеличении производства длинного волокна и максимальном сборе семенной части урожая льна при работе очесывающего аппарата машины для реализации второй фазы раздельной уборки, а также снижении энергетических затрат на отделение семенной части урожая от стеблей.
Объектами исследования выбраны: технологический процесс отделения семенной части урожая от стеблей льна и аппарат для его осуществления.
Методика исследования. При выполнении диссертационной работы использовали как стандартные, так и частные методики исследования с примене-
ниєм физического и математического моделирования. Моделирование и статистическая обработка опытных данных велись на ЭВМ с использованием Word, Excel, CorelDRAW, Corel PHOTO - PAINT, STATGRAPHICS Plus для Windows и др.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования:
впервые теоретически и экспериментально обоснованы параметры и режимы работы очесывающего вальцово-гребневого аппарата, осуществляющего последовательный очёс стеблей;
впервые теоретически и экспериментально обосновано использование в качестве вальцов вальцово-гребневого очесывающего аппарата полой резиновой трубы;
впервые получены регрессионные модели зависимостей отхода стеблей в пу-танину, чистоты очёса и энергопотребления от основных параметров вальцово-гребневого очесывающего аппарата;
экспериментально обосновано повышение эффективности работы подбор-щика-очесывателя льна путем применения усовершенствованного очесывающего вальцово-гребневого аппарата;
Достоверность основных положений и выводов подтверждена данными теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами лабораторных и сравнительных испытаний, а также патентом на изобретение № 2253964 «Способ отделения семенной части урожая льна от стеблей и устройство для его осуществления»(приложение 4).
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
Обоснована технологическая схема способа отделения семенной части урожая от стеблей льна при раздельной его уборке. Проведённые исследования технологического процесса отделения семенной части урожая от стеблей позволили определить параметры и режимы работы вальцово-гребневого очёсывающего аппарата (ВГА) для реализации способа.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:
на научных конференциях профессорско - преподавательского состава и аспирантов Костромской государственной сельскохозяйственной академии, состоявшихся в 1996...2001гг;
на научной конференции Ярославской государственной сельскохозяйственной академии, состоявшейся в 2001г.
По теме диссертации опубликовано 10 работ и получен патент на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения:
Определение некотрых физико - механических свойств коробочек, влияющих на работу вальцово - гребневого очесывающего аппарата.
Разработка вальцово - гребневого очесывающего аппарата:
Теоретическое и экспериментальное обоснование применения и конструктивных параметров вальцов;
Теоретическое и экспериментальное обоснование конструктивных параметров и режимов работы гребеневого барабана;
5. Лабораторная сравнительная проверка теоретически и эксперимен
тально определенных параметров и режимов работы вальцово-гребневого ап
парата и технико-экономическая оценка его в подборщике очесывателе льна.
Анализ устройств для отделения семенной части урожая от стеблей льна
Системы для отделения семенной части урожая от стеблей, сбора и транспортировки вороха применяются в льноуборочных комбайнах, подборщи-ках-очесывателях, льномолотилках и подборщиках-молотилках. Отделение семенной части урожая от стеблей - технологическая операция, осуществляемая при уборке льна двумя принципиально различными способами: разрушением коробочек на стеблях и отрывом их от стеблей. Первый способ применим только на сухом льне путем плющения коробочек в вальцевых аппаратах; второй на сухом и свежевытеребленном льне путем очеса коробочек битерными, щелевыми и гребневыми очесывающими аппаратами. Извес тен способ отделения семенной части урожая от стеблей в два приема - разрушением коробочек на стеблях плющением с последующим вычесыванием их в вальцово - гребневых и в вальцово - битерных аппаратах на сухом льне. Процесс очесывания семенных коробочек является важной и ответственной операцией, так как от него в значительной мере зависит количество и качество получаемой продукции. Аппарат для отделения коробочек от стеблей и система для сбора и транспортировки вороха могут быть представлены в виде отдельных устройств. В серийных льноуборочных комбайнах очесывающий барабан кроме отделения коробочек от стеблей выполняет также задачу сбора и транспортировки продуктов очеса в камере, а затем передачу их на транспортер вороха, поэтому в данных машинах указанные устройства образуют одну очесывающе - транспортную систему.
Конструкции очесывающих аппаратов можно разделить по нескольким принципам: по проникновению внутрь слоя, по типу рабочих органов, по характеру движения рабочих элементов и по конструктивному исполнению представлены на рисунке 1.1.( Способы и аппараты для отделения семенной части урожая льна от стеблей).
Главным преимуществом вальцовых аппаратов плющильного типа является то, что они практически не повреждают стебли и отход их в путанину не превышает 1,0%. Однако применение вальцовых аппаратов ограничено из-за высокого требования к влажности льна. Для качественной работы вальцовых аппаратов влажность льна должна находиться в пределах 14... 16%. Для достижения полного обмолота льна за один пропуск необходимо увеличить число плющильных вальцов, что увеличивает габариты вальцового аппарата. При повышении влажности происходит налипание ленты льна на вальцы, что приводит к дополнительному повреждению семян и стеблей. Исходя из этого вальцовые аппараты не нашли применения в льноуборочных машинах. Отделение коробочек льна-долгунца от стеблей Разрушение коробочек Отрывом коробочек от стеблей Разрушение коробочек на стеблях, с последующим отрывом Двойной очес стеблей Вальцо Плю-щиль Моло-тильные С проникновением рабочих элементов внутрь слоя Без проникновения рабочих элементов внутрь Вальцево -битерные Вальцево-гребневые Битерно-гребневые Рисунок 1.1- Способы и аппараты для отделения семенной части урожая льна от стеблей Анализ известных очесывающих аппаратов показал, что все они условно могут быть разделены на две группы: с проникновением рабочих органов внутрь слоя - гребневые аппараты, их зубья отрывают коробочки и расчесывают спутанные стебли. Ко второй группе относятся щелевые, битерные и другие устройства, рабочие органы которых отрывают коробочки без расчесывания слоя. Характерной особенностью устройств, отнесенных к первой группе, является возможность осуществлять очес льна любой спелости и влажности, но при этом их работа сопровождается значительным повреждением и отходом стеблей в путанину. Наибольшее распространение среди устройств этой группы получили однобарабанные очесывающие аппараты с поступательно-круговым движением зубьев. К этой же группе относятся двубарабанные с круговым движением зубьев и конвейерные, у которых гребни приводятся в движение гибкими элементами передачи [11,12,13]. Последние в свою очередь пока не нашли применения для очеса льна. Однобарабанные применяются в льноуборочных комбайнах и в подборщиках - очесывателях для обработки ленты льна, движущейся со скоростью, близкой к скорости машины. Двубарабанные аппараты использовались в льномолотилках для очеса сухого льна.
Для уменьшения отхода стеблей в путанину при работе гребневых аппаратов используют принцип последовательного очеса. Последовательность очеса может быть достигнута изменением длины зубьев в гребне [2,13]; в однобара-банном - установкой вала под углом к плоскости торцов шкивов зажимного транспортера, приближением ручья зажимного транспортера по ходу стеблей к плоскости, проходящей через вал барабана, расположением плоскости гребня под углом к оси его вращения, выполнением гребня из нескольких секций, расположенных ступенчато относительно его продольной оси [4], установкой зубьев в гребне группами под углом к плоскости торцов его шкивов зажимного транспортера, уменьшающимся по ходу движения стеблей [15], синусоидальной формой ручья зажимного транспортера [29], расположением ручья зажимного транспортира под углом к оси вращения вала барабана.
Последовательность очеса стеблей можно увеличить, если в барабане, вал которого установлен под углом к зажимному транспортеру, гребни выполнить в виде нескольких секций, расположенных одна относительно другой со смещением, при этом все зубья секции равноудалены от плоскости торцов шкивов зажимного транспортера [5]. Уменьшения отхода стеблей в путанину можно достичь, если первый прочес выполнить движением зубьев в плоскости ленты, для этого ручей зажимного транспортера должен иметь участок, расположенный в плоскости движения зубьев, осуществляющих первый прочес [18].
Исследование факторов, влияющих на качество работы и расчет параметров очесывающего аппарата
В процессе работе вальцово-гребневого аппарата при отделении семенной части урожая льна от стеблей осуществляется сначала раздавливание семенных коробочек, а затем отрыв их от стеблей. Полнота отделения семенной части и отход стеблей в путанину будут зависеть от количества разрушенных коробочек при первом приеме воздействия на них рабочим органом и от легкости расчесывания стеблей при втором приеме. На легкость расчесывания влияет опять же доля раздавленных коробочек, а также усилие отрыва коробочек от стеблей. В процессе созревания льна и нахождения его в ленте при раздельной уборке существенно изменяются его физико-механические свойства, в том числе и усилия на раздавливание и отрыв коробочек, которые в свою очередь влияют на качество работы подборщика-очесывателя. При этом понижается влажность, повышается упругость и прочность стеблей, уменьшается усилие отрыва и раздавливания коробочек льна, благодаря чему снижается отход стеблей в путанину, влажность вороха и содержание в ворохе целых семенных коробочек, но увеличивается содержание поврежденных коробочек и содержание свободных семян. Также меняется величина всех видов повреждений стеблей, в том числе, влияющих на выход длинного волокна. Как видно из выше сказанного, изменяющиеся в процессе созревания льна физико-механические свойства существенно влияют на получение качественной продукции и они напрямую связаны с процессами, протекающими в очесывающих аппаратах, и принципами их действия. Была поставлена задача изучить физико-механические свойства льна, влияющие на работу вальчово-гребневого аппарата, для обоснования оптимальных конструктивных параметров и режимов работы последнего. В зависимости от спелости льна и сроков нахождения стеблей с коробочками в ленте для решения данной задачи определены: - усилие раздавливания коробочки. - усилие на отрыв раздавленной коробочки. - усилие на отрыв нераздавленной коробочки. Так как количество раздавленных коробочек вальцами может зависеть от твердости поверхности последних, наметили определить усилие раздавливания коробочек стальными и резиновыми пластинами. С применением раздельной уборки льна растения будут находиться в лентах на поле, как правило, 4-6 дней. Поэтому запланировали проводить опыты в течение 8 дней. Условия проведения опытов и характеристика льна в опытах: сорт льна - Псковский 359; спелость льна - полная; длина стеблей - 60...80см; диаметр стеблей - 0.9... 1.1 мм; коробочек - 4.0...5.0 мм; плотность ленты - 1900...2100 стеблей/м; влажность льна - 18...20%; величина зоны расположения коробочек в ленте - 250.. .350 мм; засоренность льна - 5...7 %; растянутость стеблей в ленте - 1.2раз. Исследования проводили при следующих условиях окружающей среды: средняя температура воздуха - 19...24; относительная влажность воздуха - 65...80 %; атмосферное давление - 745...760 мм.рт.ст Для определения усилия раздавливания и отрыва от стеблей коробочек льна была изготовлена лабораторная установка (представлена на рисунке 2.1а и 2.16 ). Она состоит из трех основных частей: торговых настольных весов 1 типа ВНЦ Киевского завода Главторгоборудования, механизма 2 для перемещения элемента, воздействующего на коробочку, приспособления 3 для зажима плодоножки с коробочкой и сменных пластины 4 и 5, между которыми раздавливали коробочку.
Настольные торговые весы 1 необходимы для определения точного значения усилия раздавливания и отрыва коробочек в проводимых опытах. На стойке весов, располагали опытные образцы коробочек. По шкале 6 снимали показания значений усилия. Приспособление 2 для передачи усилия на коробочку отрыва и раздавливания состоит из опор 13 и 14, стойки 12, рукоятки 11, нагрузочного винта 9, наконечника 15, поводка 16 и вилки 17. Последняя, необходима для зацепления коробочек льна при проведении опыта по определению усилия отрыва, она имеет по середине прорезь шириной примерно 2...3 мм. Наконечник 15 служит для крепления вилки 17 и сменной резинки 4, которая используется для определения усилия раздавливания коробочки. Резинка крепится к наконечнику 15 с помощью пружинной скобы (на рисунке не показана). Наконечник 15 выполнен относительно нагрузочного винта 9 подвижным, для исключения его колебания и вращения, перетирания коробочки в процессе опыта. Стойка 12 выполнена из двух прутков, между которыми перемещается поводок 16. Поводок 16 необходим для фиксирования наконечника в горизонтальной плоскости. На конце планки которая крепится к стойке 12 приварены две гайки 10, в них вращается нагрузочный винт 9. Рукоятка 11 служит для вращения нагрузочного винта , через них передается усилие на коробочку. Нагружение производится в статическом режиме - равномерно.
Результаты исследований работы очесывающего барабана
Матрица планирования эксперимента, значения факторов, уровни их варьирования и результаты опытов представлены в таблице 4.2. При исследовании работы очесывающего барабана выявлены зависимости чистоты очеса, отхода стеблей в путанину и мощности на привод барабана от величины зоны расположения коробочек в ленте и от подачи зоны расположения коробочек. Под подачей понимается расстояние от зоны расположения коробочек до торцов шкивов зажимного транспортера. Указанные зависимости представлены графически на рисунках 4.12, 4.13, 4.14. Математическая модель имеет вид: Y = Ь0+Ь1х1+Ь2Х2+ЬзХіХ2 Y1 =2,12+0,25хі+0,1х2+0,025х,х2 Y2 = 99,46+0,165xi+0,09x2+0,27x,X2 Y3 = 2,24+0,26хі+0,75х2-0,082хіХ2 Таблица 4.2 Матрица планирования и результаты эксперимента Как видно из графика, с увеличением зоны расположения коробочек на 100 мм и ее подачи на 200 мм, мощность на привод барабана возрастает с 1,8 до 2,5 кВт. xl - зона расположения коробочек, х2 - подача зоны расположения коробочек, Y1 - мощность на привод барабана, кВт. Рисунок 4.12 - Поверхность отклика зависимости Yl = f (xl;x2) 100,1 99,9 Y299.7 99,5 99,3 99,1 ХІ Y2 - чистота очеса, %. Рисунок 4.13 - Поверхность отклика зависимости Y2 = f (xl;x2) Анализируя график поверхности отклика зависимости Y2 = f (xl;x2), можно отметить, что с увеличением зоны расположения коробочек и подачи этой зоны в указанных выше пределах (см. табл. 4.2.) происходит незначительное увеличение чистоты очеса с 99,15 до 99,96 %. Данный факт объясняется тем, что активная зона действия гребней экспериментального очесы вающего барабана значительно превышает величину диапазона изменения факторов.
Характер поверхности отклика зависимости Y3 = f (xl;x2) свидетельствует, что с увеличением зоны расположения коробочек до 350 мм и подачи зоны расположения коробочек до 300 мм отход стеблей в путанину возрастает с 1 до 3 %. Указанное явление происходит из-за более продолжительного воздействия гребней на стебли по ширине ленты и выдергивания растений, не полностью попавших в ремни зажимного транспортера. Y3 - отход стеблей в путанину, %. Рисунок 4.14 - Поверхность отклика зависимости Y3 = f (xl;x2) Получена зависимость работы очесывающего барабана в от угла наклона зубьев. Матрица планирования эксперимента, значения факторов, уровни их варьирования и результаты опытов представлены в таблице При исследовании работы очесывающего барабана выявлены зависимости чистоты очеса, отхода стеблей в путанину от плотности ленты и угла наклона зубьев гребня. Указанные зависимости представлены графически на рисунках 4.15, 4.16. Математическая модель имеет вид: Y = Ь0+ЬіХі+Ь2Х2+ЬзХіХ2 Yl = 99,585+0,15x1+0,16x2+XiX2 Y2 = 1,175+0,1х,+0,225х2+х,х2 Таблица 4.3 Матрица планирования и результаты эксперимента xl - плотность ленты, х2 - угол наклон зубьев, Y1 - чистота очеса, %. Рисунок 4.15 - Поверхность отклика зависимости Y1 = f (xl;x2) Y2 - отход стеблей в путанину, % Рисунок 4.16 - Поверхность отклика зависимости Y2 = f (xl;x2) Анализируя графики поверхностей отклика, можно отметить, что чистота очеса (рисунок 4.15) увеличивается от 99,25 до 99,87 % при уменьшении угла наклона зубьев и увеличении плотности ленты, а отход стеблей в путанину (рисунок 4.16) уменьшается с 1,45 до 0,8 % при уменьшении угла наклона зубье и плотности ленты. 4.6. Результаты исследования работы вальцово-гребневого аппарата При исследовании работы аппарата выявлены зависимости чистоты очеса и отхода стеблей в путанину от силы сжатия вальцов, расстояния между 1 и 2, 2 и 3 секциями гребней очесывающего аппарата.
Устройство и принцип действия экспериментальной установки
Экспериментальные исследования процесса очеса проводили в соответствии с принятой программой исследований по определению технологических показателей работы вальцово-гребневого очесывающего аппарата. Для лабораторных исследований была изготовлена специальная установка (рисунок 5.1.), которая состоит из питающего конвейера 1 длиной 5 м, экспериментального вальцово-гребневого очесывающего аппарата 2, гребневого очесывающего аппарата 3 от серийного льнокомбайна, камер 4, 5 сбора вороха привода 6, 7 и управления, вариаторов 8, 9, 10 частоты вращения ведущего шкива конвейера 1, ведущих шкивов зажимного транспортера 11, 12 и вала барабана 13, 14 соответственно, а также приемного щита 15.
Привод обоих аппаратов для отделения осуществлялся от асинхронных электродвигателей переменного тока через клиноременные и цепные передачи. Электродвигатели привода вала барабана и зажимного транспортера подключены параллельно. Экспериментальная установка представлена на рисунке 5.1. Для проведения исследований подготовленную ленту льна укладывали на питающий конвейер 1, который подавал ее в зажимной транспортер 10. Последний проводил ленту через вальцы и барабан очесывающего аппарата 2, в котором происходит отделение семенной части урожая от стеблей. Продукты очеса собирались в камере 4, а очесанные стебли на приемном щите 15. Опыты проводили в следующих условиях: спелость льна - полная средняя длина стеблей сорт льна диаметр стеблей коробочек величина зоны расположения коробочек на стебле в ленте -засоренность льна растянутость стеблей в ленте При исследовании процесса очеса были выделены следующие факторы: сила сжатия вальцов, Н; плотность ленты, шт./м; влажность ленты, %; скоростной режим (учитывающий частоту вращения барабана и скорость зажимного транспортера). Для исключения влияния побочных факторов и сокращения числа опытов были проведены отсеивающие эксперименты по известной методике [48]. В качестве параметров оптимизации были приняты показатели: Х -чистота очеса; Y -отход стеблей в путанину; Z -повреждение стеблей; Г-повреждение семян. J -вынос семян лентой; Для обоснования выбранной методики исследований и определения необходимого числа опытов был выполнен предварительный эксперимент. Обработку опытных данных проводили с использованием методов математической статистики [47,48,50].Учитывая сложность проведения опытов в технике, принято [48] использовать величину доверительной вероятности Рд = 0.95 и предельную ошибку є = +3ст. Минимальное число необходимых опытов принимается равное 3.
Результаты предварительного эксперимента представлены в табл. 5.1. Таблица 5.1 Результаты предварительного эксперимента Проведенный эксперимент проверяли на воспроизводимость результатов, т.е. на повторимость в определенных пределах измерений с заданной доверительной вероятностью. Для оценки воспроизводимости опытов рассчитывали критерий Корхена (расчетный). Кр = Дтах/д, (5.1) і где Дтах -наибольшее число дисперсий параллельных серий (т); N Д -сумма дисперсий т-серий (2...4). і ОПЫТЫ считали воспроизводимыми, если выполнялось условие: Кр Кт, (5.2) где Кт - табличное значение критерия Корхена, принимаемое в зависи мости от доверительной вероятности Рд и числа степеней свободы f: Применительно к нашему случаю: Рд = 0.95 f=n-l=2 Кт = 0.93 Необходимое число повторных опытов определяли по формуле: n = 0.16V2+l, (5.3) где V- коэффициент вариации, %. 102 Так как наибольшее число повторностей п= 2.65, то и для основного эксперимента число повторностей приняли 3. Также были проведены анализы и по другим выбранным факторам. Исследования основного активного эксперимента направлены на выявление зависимости 5 функций отклика от 4 факторов, что подразумевает большое число серий опытов и повторностей в них. Для облегчения и упрощения проведения экспериментов использовали трехуровневый план 2т порядка для четырех факторов Бокса-Бенкина [48] . Математическая модель объекта исследования второго порядка имеет вид полинома второй степени: у = Ь0 + J Ь;Х; +]Г bijXiXj + ]Г ЬІІХ2 / (5.4) где у- критерий оптимизации; хь Xj- исследуемые факторы; Ь0 - свободный член , при Xj=0; b;- коэффициент регрессии, указывающий влияние того или иного фактора на объект; ЬГ коэффициент регрессии парных факторов; bij- коэффициент при квадратичных факторах. Структурная схема исследования процесса изменения агротехнических показателей работы вальцово-гребневого очесывающего аппарата представлена на рисунке
