Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Обзор исследований процесса повторного обмолота вороха 10
1.1.1. Величина и состав колосового вороха 10
1.1..2. Повторный обмолот колосового вороха в домолачивающихустройствах 12
1.1.3. Повторный обмолот колосового вороха в МСУ 16
1.2. Обзор теоретических и экспериментальных исследований по оценке потерь зерна за молотилкой 22
1.3. Сепаратор зернового вороха 25
1.4. Системы контроля потерь зерна за молотилкой 29
1.5.Контрольно-измерительные приборы 31
1.6. Цель и задачи исследований 37
2. Теоретические предпосылки по совершенствованию системы контроля процесса повторного обмолота колосового вороха 38
2.1. Исходные предпосылки процесса повторного обмолота 38
2.2. Теоретический расчет системы контроля процесса повторного обмолота 43
2.2.1. Расчет подачи колосового вороха в молотильное устройство 43
2.2.2. Расчет динамических свойств решетной очистки 45
2.2.3. Оценка качества повторного обмолота колосового вороха по напряжению пьезоэлектрических датчиков качества колосовой фракции 47
2.2.4. Оценка качества повторного обмолота колосового вороха по изменению скорости движения комбайна и потерь зерна за ним 55
2.3. Обоснование конструкции системы контроля процесса повторного обмолота 58
2.4. Теоретические предпосылки обоснования параметров системы контроля процесса повторного обмолота 61
2.4.1. Факторы объекта исследования 61
2.4.2. Уровни входных факторов 65
Выводы по разделу 2 69
3. Программа и методика экспериментальных исследований 71
3.1. Программа исследований 71
3.2. Методика экспериментальных исследований 71
3.3. Методика исследований показателей качества работы зерноуборочных машин при прямом комбайнировании озимой пшеницы и на подборе и обмолоте валков ячменя 74
3.4. Методика экспериментальных исследований системы контроля процесса повторного обмолота 79
Выводы по разделу 3 86
4. Результаты экспериментальных исследований 87
4.1. Оптимизация конструктивных параметров системы контроля процесса повторного обмолота 87
4.2. Влияние повторного обмолота колосового вороха на показатели качества работы зерноуборочных машин 100
4.2.1. Потери зерна за зерноуборочными комбайнами 100
4.3. Результаты испытаний комбайна с новой системой контроля процесса повторного обмолота 105
4.3.1. Условия проведения полевых экспериментов 105
4.3.2. Показатели качества работы комбайна 107
4.4. Оценка напряжения вырабатываемого пьезоэлектрическими датчиками 111
4.5. Анализ качества повторного обмолота 115
Выводы по разделу 4 118
5. Технико-экономические показатели применения новой системы контроля процесса повторного обмолота 120
Общие выводы 123
Список использованной литературы 125
Приложения 138
- Сепаратор зернового вороха
- Исходные предпосылки процесса повторного обмолота
- Оценка качества повторного обмолота колосового вороха по напряжению пьезоэлектрических датчиков качества колосовой фракции
- Оптимизация конструктивных параметров системы контроля процесса повторного обмолота
Введение к работе
ft Производство зерна было и остается одной из главных задач сельского хозяйства. Успешное ее решение зависит не только от технического уровня применяемых машин, но и от эффективности их использования. В основных 1 направлениях экономического и социального развития России на период до
2010 года предусмотрено в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении осуществить в широких масштабах техническую переоснащенность производства, которая позволит более полно удовлетворять потребности сель-
, ского хозяйства в необходимой высокоэффективной технике с учетом его 30- _ нальных особенностей, обеспечить создание и выпуск высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов. Известно, что уборка — самая ответственная операция, и если ее проводить своевременно и быстро, то урожай удается собрать полностью.
Технологии уборки зерновых культур базируются на использовании зерноуборочных комбайнов. С целью повышения производительности и качества работы комбайнов их системы контроля за рабочим процессом непрерывно совершенствуются.
, Зерноуборочные комбайны Дон — новый этап в развитии отечественного комбайностроения. Их создавали наряду с планомерной модернизацией суще- щ ствующего парка комбайнов. При этом были учтены как отечественный опыт, так и тенденции развития мирового комбайностроения. Повышение производительности комбайнов Дон достигнуто за счет увеличения мощности двигателя, ширины захвата жатвенной части и платформы-подборщика, размеров молотильного аппарата и сепарирующих органов; наличия гидропривода ходовой части; улучшение условий труда комбайнера. В конструкции заложены потенциальные возможности по дальнейшему росту производитель- ности в результате интенсификации технологических процессов молотилыю- сепарирующих органов и автоматизации управления. Многие устройства и аг- іф регаты улучшают технологический процесс работы комбайна. Например, молотильное устройство с барабаном диаметром 800 мм выполнено без приємно- го битера; применено домолачивающее устройство с распределительным шнеком для домолота колосовой фракции; увеличены площади сепарации деки, клавиш и решет.
Эти изменения наряду с другими усовершенствованиями позволяют существенно повысить пропускную способность комбайнов Дон и снизить потери зерна.
Снижение потерь зерна при уборке урожая зерновых колосовых культур - одна из основных проблем сельскохозяйственных производителей, так как суммарные потери зерна за отечественными зерноуборочными комбайнами достигают 3...5 % и более от валового сбора и существенно возрастают при увеличении сроков уборки по сравнению с оптимальными.
Для снижения сроков уборки необходимо, в первую очередь, увеличивать производительность комбайнов. Однако увеличение производительности до потенциально возможной не позволяет значительная циркуляция свободного зерна в колосовом ворохе по кругу очистка-домолот-очистка. При этом повторный обмолот колосового вороха в домолачивающем устройстве снижает качественные показатели работы зерноуборочных комбайнов. Эффективность работы зерноуборочного комбайна во многом определяется режимами работы молотильно-сепарирующего устройства.
Для уменьшения содержания свободного зерна в колосовом ворохе, поступающем на повторный обмолот, повышения качества об.молота колосовой фракции в домолачивающем устройстве и выбора рациональных режимов работы молотильно-сепарирующего устройства зерноуборочного комбайна Дон-1500Б необходимо, на основе анализа существующих приемов и теоретических предпосылок усовершенствовать контроль процесса повторного обмолота колосового вороха в домолачивающем устройстве.
Цель исследования. Повышение эффективности работы молотильно-сепарирующего устройства комбайна Дон-1500Б за счет применения системы контроля процесса повторного обмолота колосового вороха в домолачивающем устройстве.
В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на ^ достижение поставленной цели, определены следующие задачи: — разработать методику контроля процесса повторного обмолота колосового вороха в домолачивающем устройстве за счет сравнения количества свободного зерна до и после домолачивающего устройства, определяемого напряжением пьезоэлектрических датчиков; создать новую конструкцию системы контроля процесса повторного обмолота; выполнить оптимизацию мест, углов установки и количества пьезоэлектрических датчиков в системе контроля процесса повторного обмолота колосового вороха домолачивающим устройством. - сравнить качество повторного обмолота комбайнами с новой системой , контроля процесса повторного обмолота и серийной системой индикации из менения потерь зерна; - определить экономическую эффективность новой системы контроля процесса повторного обмолота.
Объект исследования. Зерноуборочный комбайн Дон-1500Б с серийной системой индикации изменения потерь зерна и экспериментальной системой контроля процесса повторного обмолота.
Методика исследования. Основной метод - сравнительные испытания экспериментальной системы контроля процесса повторного обмолота и се- I рийной системой индикации изменения потерь зерна на указанном объекте в лабораторно-полевых условиях по методикам, в основу которых положены требования ОСТ 70.8.1-81. В теоретических исследованиях использованы методы теоретической механики и прикладной математики. В экспериментальных исследованиях применялись методы системного анализа, теории искусст-венного интеллекта, математической логики, теории вероятностей и математической статистики. Обработка полученных результатов проводилась с ис-пользованием ЭВМ.
Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании оценки качества работы молотилыю-се парирую ще го устройства зерноуборочного комбайна Дон-1500Б и разработке устройства системы контроля за количеством свободного зерна, поступающего на повторный обмолот и сходящего с него, путем сравнения напряжения, снимаемого с пьезоэлектрических датчиков, установленных до и после домолачивающего устройства.
Практическая ценность заключается в обосновании оптимальных мест, углов установки и количества пьезоэлектрических датчиков, расположенных до и после домолачивающего устройства, в предложенных рекомендациях по выбору оптимальных режимов работы молотил ьно-сепарирую ще го устройства комбайна, определяемых на основе показаний системы контроля процесса повторного обмолота колосового вороха (решение о выдаче патента по заявке №2004112070/12).
Реализация результатов эксперимента. Результаты исследований внедрены в СПК «Степной» и КФХ «Орловское» Клетского района Волгоградской области. Применение новой системы контроля процесса повторного обмолота позволило увеличить пропускную способность комбайна на 7 %, снизить потери зерна за молотилкой в среднем на 10 % по отношению к допустимому уровню. При этом экономический эффект составил в расчете на один комбайн более 4 тыс. руб. за сезон.
На защиту выносятся следующие научные положения: теоретические предпосылки оценки качества работы молотильно-сепарирутощего устройства зерноуборочного комбайна Дон-1500Б; конструкция предлагаемой системы контроля процесса повторного обмолота зерноуборочного комбайна; теоретический расчет конструктивных параметров установки пьезоэлектрических датчиков; результаты лабораторно-полевых исследований новой конструкции системы контроля процесса повторного обмолота; - показатели оценки качества повторного обмолота у комбайна с серий ной системой индикации изменения потерь зерна и новой конструкцией сис темы контроля процесса повторного обмолота; - технико-экономические показатели эффективности применения новой конструкции системы контроля процесса повторного обмолота.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации обсуждены и одобрены на итоговых научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской ГСХА (2004-2005 гг.), на научных конференциях Дагестанской ГСХА (2005г.), на X Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области в ноябре 2005 года по направлению «Механизация, электрификация, мелиорация и управление сельскохозяйственным производством» (работа была удостоена первой премии).
Публикации. По основным положениям диссертации опубликованы 4 работы, включая патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 137 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 30 иллюстраций. Список использованной литературы состоит из 140 наименований, из них 5 — на иностранных языках.
Сепаратор зернового вороха
Для разделения зернового вороха в комбайнах используется сепаратор, состоящий из транспортной доски, верхнего и нижнего регулируемых жалю-зийных решет, качающихся на подвесках, вентилятора, зернового и колосового шнеков, приводного механизма. С интенсификацией процессов обмолота и сепарации хлебной массы в молотильных аппаратах и сепараторах грубого вороха возросла подача и со-ломистость вороха, поступающего на очистку. Так, при обмолоте сухой хлебной массы (влажность 10...12 %) комбайнами с двухбарабанной и роторной молотилками степень перебивания соломы возрастает в 1,5...2 раза по сравнению с однобарабанной. На очистку поступает зерновой ворох, в котором содержится 40...50 % соломистых примесей. Чтобы сократить потери зерна и повысить его качество, были увеличены размеры решет и площади очисток: например, у комбайнов Дон-1500Б - до 4 м2, СК-10 до 4,14 м2, White-9700 - до 4,73 м2, Lova-2001 до 7,5 мэ. В большинстве комбайнов зерновой ворох перемещается на верхнее решето очистки ступенчатой доской. При движении по ней зерно опускается к ее поверхности, а легкие примеси попадают в верхние слои. Чтобы слои не смешивались при поступлении зернового вороха с транспортной доски на верхнее решето, на конце ее устанавливали решето греппеля. Зерно, прошедшее через такое решето, отводилось на нижнее решето очистки, что позволяло повышать ее пропускную способность и чистоту зерна. Особое внимание уделяют повышению эффективности использования Л воздушного потока при разделении, в том числе совершенствованию источников воздушного потока. Большинство очисток комбайнов оснащают лопастными вентиляторами, расход воздуха в которых регулируется измене!шем частоты вращения ротора, реже — изменением площади проходного сечения входных окон. Эффективность разделения зернового вороха на ветро-решетных очистках можно повысить в результате обогащения, выделяя при этом свыше 60 % легких примесей до поступления вороха на решета. Так, комбинированная пневмоинерционная очистка состоит из ленточного питателя с изогнутой лентой, двух вентиляторов — основного и дополнительного, серийной ветро решетной очистки с опущенным верхним решетом. Ворох поступающий на ленточный питатель из под молотильно-сепарирующего устройства со скоростью 2...6 м/с, тонким слоем, под углом 55...65, подается в зону воздушного потока, скорость которого 10... 12 м/с и более. При прохождении воздушного потока, создаваемого дополнительным вентилятором, выноситься свыше 60 % легких примесей и решета не перегружаются, что повышает эффективность их работы и пропускную способность.
В комбайнах фирмы Allis Chalmers моделей N5, N6, N7 зерновой ворох, поступающий на очистку, также обогащается. Очистка состоит из решет, вен тилятора, специальных вбрасывающих вальцов, набранных из прорезиненных пластин. При вращении зуб одного вальца входит во впадину другого. При этом между зубьями остается зазор. Вальцы захватывают зерновой ворох и вбрасывают его тонким слоем в зону воздушного потока, который поступает из верхнего канала диаметрального вентилятора. В дальнейшем технологический процесс не отличается от работы комбинированной очистки. Недомолоченные колоски подаются для повторного обмолота на вбрасывающие вальцы. Продукты сепарации в комбайнах транспортируются шнеками и элеваторами. Для поперечного перемещения применяют шнеки, различающиеся длиной, направлением спирали, конструкцией кожуха и предохранительных устройств. Для продольного и вертикального перемещения продуктов сепара-ции применяют в основном скребковые элеваторы с верхней подачей.
Транспортирующее устройство комбайна CK-6-LI «Колос» включает зерновой шнек, который имеет спирали левой и правой навивки (что позволяет » распределять и подавать зерно к левому и правому элеваторам), колосовой шнек и колосовой элеватор. Особенность транспортирующих устройств комбайнов СКД-6 «Сибиряк», СК-5А та, что для перемещения зерна используется один скребковый элеватор. Установка колосового шнека под удлинителем решета способствует за-вихрению воздушного потока и снижению его скорости и выравненное в зоне верхнего решета и удлинителя. Чтобы устранить этот недостаток на комбайн Дон-1500Б, Е-516, International Harvester-1480 и других, колосовой шнек смещен в сторону зернового, в результате чего улучшается структура воздушного потока в конце решета и над удлинителем. При этом снижаются потери зерна и выход его в колосовой шнек.
Вынос зерна с верхнего и нижнего жалюзийного решет в камеру колосо во го шнека нежелателен, однако это свойственно данной схеме воздушно решетной очистки и обусловлено выносом свободного зерна из межрешетного пространства воздушным потоком вентилятора, а также сходом зерна с конца нижнего жалюзийного решета ввиду того, что конец решета забивается соломистыми частицами из-за слабого обдува снизу и выбросом зерен от ударов по ним кромками жалюзи верхнего решета в процессе колебаний стана. Для снижения общего выноса свободного зерна в колосовой шнек можно установить небольшую скатную доску под верхним жалюзийным решетом в конце его, которая бы задерживала в некоторых случаях вынос свободных зерен с верх него решета и улучшала аэродинамический режим обоих решет. Такие скат ные доски между решетами устанавливаются на комбайнах фирм Кокшут (Канада), Дотель-Монтарло (Франция) и других [9].
Исходные предпосылки процесса повторного обмолота
Соломенная фракция, содержащая после обмолота часть зерна на выходе из молотильного аппарата 11 (рис. 2.1.), под острым углом отражается отбойным битером 10 на сепаратор вороха — соломотряс 13. Здесь она разделяется на две фракции: солома (выводится из молотилки) и зерновой ворох (состоит из свободного зерна и мелких соломистых частиц). Вторая фракция подается на транспортную доску 14 и вместе с зерновым ворохом, выделенным в молотильном аппарате 11, поступает в сепаратор зернового вороха — очистку.
Крупные части необмолоченных колосьев, целые необмолоченные колосья и сбоина не могут пройти через отверстия верхнего жалюзийного решета 1 и попадают на удлинитель 2, стоящий под небольшим углом к поверхности верхнего решета 1. Здесь необмолоченные колосья проходят через увеличенные отверстия удлинителя 2 и сразу попадают в камеру колосового шнека 3. Зерно и мелкие соломистые примеси, а также часть необмолоченных колосьев, попавших на нижнее жалюзийное решето 4, под действием его колебаний и воздушного потока, создаваемого вентилятором 5, разделяются. Зерно проходит через отверстия нижнего жалюзийного решета 4 и попадает в камеру зернового шнека 6, а соломистые примеси и частицы колосьев поступают в камеру колосового шнека 3. Масса, поступившая в камеру колосового шнека 3, колосовым шнеком 7 подается влево по ходу движения комбайна и колосовым скребковым элеватором 8 поднимается к домолачивающему устройству 9. После повторного обмолота в домолачивающем устройстве 9, обмолоченные колоски, зерно и ворох подается в горловину распределительного шнека домолачивающего устройства, который своими лопастями равномерно выбрасывает его по ширине молотилки на транспортную доску 14, и затем — на очистку.
На комбайне Дон-1500Б установлена серийная конструкция домолачивающего устройства, которая обеспечивает перетирание массы, домолачивание колосков и измельчение соломистой фракции. Особого внимания требует контроль фракционного состава и количества вороха, попадающего в колосовой шнек для повторного обмолота. При правильно выбранных режимах и регулировках свободного зерна должно быть не более 3...5 %. Его подача 0,1...0,2 кг/с (не более 200...250 мл на один скребок элеватора). В противном случае на очистке возникнет многократная циркуляция вороха колосовой фракции, которая приведет к значительному увеличению его подачи и уменьшению фактической пропускной способности. Трудно обмолачивающиеся колоски могут несколько раз циркулировать по кругу очистка-домолот-очистка, пока не произойдет их полный вымолот. При этом свободное зерно, многократно циркулирующее по кругу, при взаимодействии с рабочими органами молотилки получает микротрещины и повреждения, которые снижают качество убранного зерна. Потери за очисткой резко возрастают. Следовательно, повторный обмолот снижает качественные показатели работы зерноуборочного комбайна [51, 26].
Исходя из вышесказанного, необходимо усовершенствовать контроль процесса повторного обмолота колосового вороха в домолачивающем устройстве, установив пьезоэлектрические датчики на сходе нижнего решета и на распределительном шнеке домолачивающего устройства. В реальных условиях работы комбайна при обмолоте существующих валков коэффициент использования длины барабана равен 0,65...0,70, то есть 30...35 % ширины молотилки в работе не используется. Это связано с неравномерной подачей хлебной массы по ширине молотилки [66]. В случае неравномерной подачи хлебной массы по ширине молотилки различные участки молотильного аппарата, соломотряса и очистки будут пропускать в единицу времени неодинаковое количество хлебной массы, что приводит к увеличению суммарных потерь и дробления зерна [36]. Неравномерность распределения компонентов хлебной массы — соломы и зерна в валке по ширине молотилки можно оценить коэффициентами вариации vc и к; определяемыми из следующих выражений: Так как основную часть колосового вороха составляет зерно в необмолоченном колосе или свободном виде, то подача его в домолачивающее устройство на повторный обмолот приведет к изменению коэффициента вариации распределения зерна и, по ширине молотилки. Значение распределения массы зерна в / — той зоне молотилки с повторным обмолотом х1 я равно величина изменения коэффициента вариации распределения массы зерна по ширине молотилки от повторного обмолота. Равномерное распределение массы зерна по ширине молотильного аппарата способствует повышенной сепарации зерна через деку во время обмолота хлебной массы, облегчает работу соломотряса, уменьшает потери и дробление зерна комбайном. Рассмотрим случай снижения неравномерности распределения массы зерна по ширине молотилки от подачи зерна, поступающего на повторный обмолот. В связи с этим, выражение (2.5) можно представить в идеальном виде: 1 ±Д - 0, (2.6) Это возможно только при условии xt +Дх, -5ё-»0, (2.7) или х, + Ах( = х + Дх (2.8) При этом необходимо учитывать, что подача вороха должна иметь направленный характер и выражаться подачей зерна в свободном виде или необмолоченном колосом. Кроме того, значение коэффициента вариации распределения зерна v3 в валке по ширине молотилки и величина подачи вороха в / — тую зону должны представлять собой случайные и взаимосвязанные явления. Из выражения (2.8) следует, что xJt =х7 +Д, -Дхм (2.9) Выражение (2.9) показывает необходимость подачи вороха в зоны, где значение распределения массы зерна меньше среднего арифметического по ширине молотилки. Из выражения (2.8) можно определить изменение подачи зерна в і - тую зону молотилки: Дхй=х,+Дх,- „. (2.10) Таким образом, повысить качественные показатели повторного обмолота колосового вороха и работы зерноуборочного комбайна возможно, за счет снижения нагрузки на сепаратор зернового вороха из-за многократной циркуляции обработанного вороха.
Оценка качества повторного обмолота колосового вороха по напряжению пьезоэлектрических датчиков качества колосовой фракции
Подача в колосовой шнек вороха, который состоит из необмолоченных колосков, мелких соломистых фракций и части свободного зерна, рассчитывается по формуле: Чп= , (2.22) Ml где ти - масса вороха поступившего в колосовой шнек за время /,,. Подача на выходе из домолачивающего устройства равна: qn= , (2.23) М2 где тп - масса вороха сходящего с домолачивающего устройства за время Ч2. Масса тп и тп состоит из части свободного зерна шЬ, т12з и примесей «in. тпп тп =mItJ+mlln, (2.24) m]2=ml2,+mi2n. (2.25) При этом должны выполняться условия: тПз Ф тПз, mU] mUl, тПп тПп. В результате экспериментальных исследований были найдены коэффициенты, выражающие отношение массы зерна тш, т12] к массе примесей тИп, ,= -, (2.26) где и- отношение массы зерна тПз к массе примесей тип поступившей в колосовой шнек, 2= , (2.27) а %п- отношение массы зерна тПз к массе примесей тПп сходящей с домолачивающего устройства. Результаты вычислений коэффициентов ,, и 2 приведены в таблице П.1 (с.139). Используя выражения (2.26) и (2.27), выразим массу примесей тПа, тПп: «11-= , (2-28) Щ2П= , (2.29) Ь\2 и подставив в выражения (2.24) и (2.25), получим: (2.30) (2.31) ,2 Электрический сигнал, выдаваемый пьезоэлементами, зависит от кинетической энергии, воспринимаемой мембраной датчика от падающего зерна. При одинаковой высоте падения зерна кинетическая энергия в основном зави 49 сит от массы зерна. Электрический сигнал, возникающий от удара соломистых частиц, значительно меньше, чем от зерна и поэтому не регистрируется.
Представим выходное напряжение с датчиков установленных после нижнего решета, как разницу кинетической энергии А]и до удара о датчик и кинетической энергии Ат после удара: и„-(Лг-41Э) = m\\3V\\\3 m\\iD\.\2i І (0 \1\ где ц2,,, - скорость зерен до удара о датчик; ufll3 - скорость зерен после удара о датчик; к- экспериментальный коэффициент. Выходное напряжение с датчиков установленных после домолачивающего устройства, как разницу кинетической энергии Аи] до удара о датчик и кинетической энергии Ат после удара: и12=ад21- )= [ - ], (2-33) где uf2l3 - скорость зерен до удара о датчик; of22l - скорость зерен после удара о датчик; к- экспериментальный коэффициент. Экспериментальный коэффициент к определялся в лабораторных условиях (см. раздел 4.4.). При этом замерялись: выходное напряжение с датчика Uо, масса зерен т э, высота падения зерен h э: = - Г. (2.34) g - ускорение свободного падения. Если при соударении зерна, имеющего скорость t ]Uj, с неподвижной поверхностью датчика замерить скорость зерна после отражения иИ2з, то отношение (2.35) принято называть коэффициентом восстановления [9]: є = , (2.35) "і и» при ударе зерна о алюминиевую поверхность датчика є = 0,5 [9]. Используя выражение (2.35), определим скорость движения зерна после удара о датчик: от]=єоІіи. (2.36) Для определения разности кинетических энергий, необходимо найти значения скорости зерен в момент удара о датчик и после удара. Найдем скорости зерен в момент удара о датчик и после удара, для датчика установленного после нижнего решета. Зерна по решету перемещаются слоем и непрерывно взаимодействуют друг с другом. Для решения задачи относительного отрыва зерна от края решета примем ряд допущений [32]. 1. Движение зерен будем рассматривать как движение материальной частицы. 2. Силу сопротивления перемещения зерен по поверхности решета будем принимать равной силе трения F = f N. 3. Не будем учитывать сопротивление воздуха. 4. Будем считать, что решето, а вместе с ним и материальная частица, совершают гармонические колебания, направленные под углом 3 к горизонту. Рассмотрим условия, обеспечивающие отрыв частицы от края нижнего решета, которое колеблется с частотой п. Используем для этого метод исследования, предложенный профессором Б.А. Бергом [32]. Скорость, которую нижнее решето сообщает зерну в момент отрыва от решета, определяется по зависимости: онр =r6)smu)i, (2.37) где г — радиус кривошипа; со — угловая скорость кривошипа; cot — угол поворота кривошипа. Максимальную скорость, которую получает зерно в момент отрыва от решета происходит при cot = 90. Так как sin 90 = 1, то формула (2.37) будет иметь следующее значение: u„.=. (2.38) Анализируя аэродинамические свойства семян [59], качество работы и производительность решет [60] и работу наклонного воздушного потока [59], можно отметить, что зерно в момент отрыва от нижнего решета получает на 51 чальную скорость инр, сообщаемую ему нижним решетом. Вместе с этим, на зерно действует сила сопротивления воздушного потока Д, направленная под углом а к горизонту, за счет действия которой зерно поднимается вверх на некоторую дополнительную высоту Ah. Так как скорость воздушного потока ивп меньше критической скорости зерна, то зерно, достигнув высоты Л,-hp+Ah (здесь Ир - высота подъема зерна от действия решета) начнет падать вниз под действием силы G = mq. При этом следует отметить, что Ah зависит от многих факторов: влажности зерна, его размерно-массовых характеристик, толщины вороха на решете, частоты вращения вентилятора очистки и др. С увеличением высоты подъема зерна на Ah возрастает потенциальная энергия зерна на АЛп. Но с другой стороны, при падении зерна вниз, воздушный поток снижает скорость его падения. Кинетическая энергия зерна в момент его удара о датчик уменьшиться по сравнению с кинетической энергией зерна без учета воздушного потока на АЛК (здесь АЛк - уменьшение кинетической энергии зерна при падении, за счет действия на него воздушного потока). Рассмотренные выше предпосылки показали, что ААк АЛП. В связи с этим, правомерно допущение, что воздушный поток не оказывает влияния на величину напряжения U, вырабатываемое пьезоэлектрическими датчиками в момент удара по ним зерна.
Оптимизация конструктивных параметров системы контроля процесса повторного обмолота
В результате предварительных экспериментов [109] было установлено, что конструктивные параметры установки пьезоэлектрических датчиков оказывают влияние на показания системы контроля процесса повторного обмолота. Дальнейшие исследования были направлены на определение оптимальных значений конструктивных параметров установки пьезоэлектрических датчиков за нижним решетом и после домолачивающего устройства. При этом они оценивались минимальным изменением напряжения AU от показаний датчиков установленных под лотком половонабивателя серийной системы индикации изменения потерь зерна при оптимальных конструктивных параметрах системы контроля процесса повторного обмолота. Испытания проводились при условиях, представленных в табл. 4.1. Таблица 4.1 Условия проведения исследований Настройка молотильного аппарата на режим работы осуществлялась исходя из данных условий уборки [6, 67]. Конструктивные параметры исследуемых мест, углов установки и количества пьезоэлектрических датчиков (рис. 4.1) были выдержаны в соответствии с данными табл. 2.1 и 2.2. В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 4-х факторного эксперимента. Рис. 4.1. Экспериментальные образцы установки пьезоэлектрических датчиков за нижним решетом Полученные результаты экспериментов представлены в табл. П.З (с. 141), П.4 (с.142), П.5 (с.143), П.6 (с.144), П.7 (сД45), П.8 (146), П.9 (147) и П. 10 (с. 148). На основании экспериментальных данных по предложенной программе [96] рассчитаны коэффициенты Во, Bi, By и В» уравнения регрессии: у = В0 + В,х, + X BiJx,xJ + X Buxf , (4.1) Значимость коэффициентов уравнения (4.15) оценивались по критерию Стьюдента. Незначимые коэффициенты удалялись, и выполнялся повторный расчет коэффициентов регрессионной модели [96]. В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде: ДС/га„ = 431,6 + 45,7 , + 19,8 2 -298 э -286,5ж4 +46,5JC,X2 +23,3XiX3 -4,5ж, 4 + 9,3 2 3 + + 55,5лг2:іг4 -Ю1ед + 340,6 ,2 +365,6 22+279,3 32+282,8х], (4.2) Д/„ = 417,2 + 42,7 +19,4 -281 -271,1 +40,3 +9,3 , 3 -15,7 ; 4 + 21,б 2 3 + + 63,3 2 4 -102,9 3 4 + 276,1 2 + 348,4 2 + 236,I 33 + 238,9 42, (4.3) Адекватность полученной математической модели проверялась по критерию Фишера [76], F = -4 (4.4) где S2O0 = Х УІЇ K (w + 1)" дисперсия ошибки опыта; .V Slt =п (у, -у,)1 /(N-[k + i - дисперсия неадекватности модели, здесь: у, - слу чайная величина, рассчитанная по математической зависимости; у, - среднеарифметическое значение случайной величины; ущ - значение / - той величины в q - том опыте; п - число повторностей опыта; JV- число строк матрицы плана; к - число факторов. Результаты расчетов 5 и S2(y) представлены в табл. П.З (с.141), П.4 (с.142), П.5 (с.143), П.6 (с.144), П.7 (с. 145), П.8 (146), П.9 (147) и П.10 (с. 148). Получено, что при исследовании изменения напряжения FUHm= 0,066 и FUw = 0,035. Во всех случаях FO05 F (здесь F00J= 2,1646 - табличное значение крите 90 рия Фишера при уровне значимости 5 % [21]). Таким образом, математические модели адекватны результатам эксперимента. С помощью предложенной Дегтяревым Ю.П. и Филатовым А.И. программы [96], были определены оптимальные значения факторов для пьезоэлектрических датчиков установленных после нижнего решета и после домолачивающего устройства, табл. 4.2.
Оптимальные значения факторо Примечание: в числителе — в кодированном виде, в знаменателе — в раскодированном виде. Для анализа и систематизации, полученные математические модели второго порядка привели к типовой канонической форме вида: Г-П = BnX + BnXl +... + ВккХ2к, (4.5) где Y- значение критерия оптимизации; Ys — значение критерия оптимизации в оптимальной точке; Xlt Х2 ...,Хк — новые оси координат, повернутые относительно старых Л:,, Х2, .. ,хк; Вп, В12, ..., Вк - коэффициенты регрессии в канонической форме. В результате расчетов, проведенных на ЭВМ, получены коэффициенты регрессии в канонической форме Вп, В22, B3i, ВАІ и значения критерия оптимизации в оптимальной точке Y . Уравнения регрессии (4.2) и (4,3) представленные в канонической форме, имеют вид: YUmn -241 = 312,2 2 + 387,ЗХ2 + 34ЦЗХ2 +227,5Х2, (4.6) YUm - 211 - 270,3 ,2 + 366Х2 + 279,8 2 +183,4 2, (4.7) Поскольку все коэффициенты при квадратных членах имеют положительные знаки, то поверхности откликов, описанные уравнениями (4.6) и (4.7) представляют не что иное, как четырехмерные параболоиды с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов. Для определения оптимальных конструктивных параметров установки пьезоэлектрических датчиков в системе контроля процесса повторного обмолота, необходимо решить компромиссную задачу с помощью двумерных сечений. В качестве основного критерия оптимизации было принято изменение напряжения между датчиками, установленными под лотком иоловонабивателя и датчиками, установленными после нижнего решета, и на распределительном шнеке домолачивающего устройства при прямом комбайнировании озимой пшеницы и на подборе и обмолоте валков ячменя. При этом решали компромиссную задачу, в которой требовалось найти значения факторов, дающих минимум изменения напряжения между датчиками, установленными под лотком половонабивателя и датчиками, установленными после нижнего решета и на распределительном шнеке домолачивающего устройства при прямом комбайнировании озимой пшеницы и на подборе и обмолоте валков ячменя. При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.2) и (4.3) относительно количества датчиков (х,) и расстояния от левого края молотилки до первого датчика (х2), прочие факторы фиксировались на уровнях, оптимальных по основному критерию оптимизации, х3=0,65 их4 = 0,63. Результаты расчетов приведены в табл. П. 11.1 (с. 149) и П. 11.2 (с. 150) и графически представлены на рис. 4.2. Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: Х[ =-0,2...0,05 и х2 = -0,2...0,05. При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.2) и (4.3) относительно количества датчиков (х,) и угла между горизонтальной линией и датчиками (х3) прочие факторы фиксировались на уровнях, оптимальных по основному критерию оптимизации, х2 = -0,08 и х4 = 0,63.
