Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы. Цель и задачи исследований 14
1.1. Значение кукурузы для народного хозяйства 14
1.2. Классификация зернового материала кукурузы 15
1.3. Современное состояние изученности анатомо-морфологических и физико-механических свойств початков кукурузы 16
1.3.1. Морфологические и анатомические особенности початков кукурузы 16
1.3.2. Изменчивость признаков початков кукурузы 17
1.3.3. Анализ изученности физико-механических свойств початков кукурузы 19
1.4. Технологии уборки кукурузы, средства и способы очистки от оберток и обмолота початков 26
1.4.1 Классификация технологий уборки 26
1.4.2. Уборка кукурузы на зерно 28
1.4.3. Уборка кукурузы в початках 29
1.4.4. Уборка гибридных початков 30
1.5. Поточные линии очистки от оберток и обмолота початков кукурузы 32
1.6. Механизация процесса очистки початков кукурузы от оберток 34
1.7. Механизации процесса обмолота початков кукурузы 38
1.8. Исходные требования к процессам очистки от оберток и обмолота початков кукурузы 45
1.9. Обзор основных теоретических положений по очистке от оберток и обмолоту початков 47
1.10. Нерешенные проблемы в механизации очистки от оберток и обмолота початков кукурузы 54
1.11. Цель и задачи исследований 56
2. Теоретико-экспериментальные исследования физико-механических свойств початков кукурузы 59
2.1. Программа и методика экспериментальных исследований 59
2.1.1. Початки кукурузы как объекты очистки от оберток и обмолота 59
2.1.2. Основные морфологические признаки гибридов кукурузы, районированных в ЮФО 61
2.2. Выбор показателей анатомо-морфологических и физико-механических свойств початков кукурузы 63
2.3. Методики определения анатомо-морфологических и физико-механических свойств початков кукурузы 68
2.4. Результаты определения массовых, размерных и физико-механических характеристик початков кукурузы 76
2.5. Анатомические и размерные характеристики листьев обертки 80
2.6. Коэффициенты трения, анатомо-морфологические и прочностные характеристики листьев оберток 84
2.7. Теоретико-экспериментальное определение коэффициентов восстановления зерновок 91
2.8.Краткие выводы 99
3. Теоретическое исследование процесса очистки початков кукурузы в трехвалыдовом аппарате и обоснование направлений его ресурсосбережения 101
3.1. Программа и методика исследования 101
3.2. Конструктивно-технологическая схема установки для очистки початков кукурузы от оберток 104
3.3. Напряжения и деформации в початке при сжатии распределенными силами в трехвальцовом очистительном блоке 106
3.4. Изменение формы обертки початка при деформации в трехвальцовом очистительном блоке 114
3.5. Расчет угла затягивания початка в трехвальцовом очистительном блоке 126
3.6. Расчет зазора в рабочем пространстве трехвальцового очистительного блока 131
3.7. Прокат початка при съеме оберток 134
3.8. Расчет длины дуги прижимного барабана, участвующей в процессе очистки початка от оберток 144
3.9. Прокат оберток при съеме с початков 150
3.10. Баланс мощности на съем оберток с початков 157
3.11. Основные направления ресурсосбережения при очистке початков кукурузы от оберток 158
3.12. Краткие выводы 160
4. Результаты экспериментальных исследований процесса очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате 162
4.1. Программа и методика исследований 162
4.2. Исследование и обоснование закономерностей процесса деформации початков с обертками 165
4.3. Влияние усилия прижатия початка к вальцам и кинематики привода на съем оберток 175
4.4. Уточнение основных параметров трехвальцового очистительного аппарата методом планирования эксперимента 185
4.5. Исходные требования на трехвальцовый очиститель початков кукурузы 191
4.6. Краткие выводы 196
5. Теоретическое исследование процесса обмолота початков кукурузы в трехвальцовом аппарате и обоснование направлений его ресурсосбережения 198
5.1. Программа и методика исследования 198
5.2. Конструктивно-технологическая схема установки для обмолота початков кукурузы 200
5.3. Напряжения и деформации в початке при сжатии в трехвальцовом молотильном блоке 201
5.4. Изменение формы початка при деформации в трехвальцовом молотильном блоке 203
5.5. Расчет угла затягивания початка в молотильном блоке 204
5.6. Расчет зазора в рабочем пространстве молотильного блока 206
5.7. Прокат початка при обмолоте 208
5.8. Расчет длины дуги прижимного вальца, участвующего в процессе обмолота початка 216
5.9. Выделение зерновок из початка при обмолоте 221
5.10. Движение зерновки в пространстве молотилки 227
5.11. Баланс мощности при обмолоте початков 237
5.12. Основные направления ресурсосбережения процесса обмолота початков кукурузы 239
5.13. Краткие выводы 239
6. Результаты теоретико-экспериментальных исследований процесса обмолота початков кукурузы в трехвальцовом аппарате 241
6.1. Программа и методика исследований 241
6.2. Исследование и обоснование закономерностей процесса выделения зерновок из початка 243
6.3. Исследование обмолота початков кукурузы в трехвальцовом аппарате 249
6.4. Уточнение основных параметров трехвальцового молотильного аппарата методом планирования эксперимента 259
6.5. Исходные требования на трехвальцовую молотилку для початков кукурузы 264
6.6. Краткие выводы 268
7. Методика инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков семенной кукурузы 270
7.1. Методика расчета параметров трехвальцового аппарата для очистки початков кукурузы 270
7.1.1. Алгоритм расчета трехвальцового аппарата для очистки початков кукурузы 271
7.1.2. Контрольный пример 275
7.2. Методика расчета параметров трехвальцового аппарата для обмолота початков кукурузы 277
7.2.1. Алгоритм расчета трехвальцового аппарата для обмолота початков кукурузы 278
7.2.2. Контрольный пример 282
8. Оценка технико-экономической эффективности трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков семенной кукурузы 284
8.1. Программа и методика технико-экономической оценки 284
8.2. Эффективность трехвальцового очистителя початков семенной кукурузы 288
8.4. Эффективность трехвальцовой молотилки початков семенной кукурузы 291
8.6. Краткие выводы 295
Общие выводы, предложения и рекомендации 296
Список использованных источников 3 01
Приложения 330
- Обзор основных теоретических положений по очистке от оберток и обмолоту початков
- Выбор показателей анатомо-морфологических и физико-механических свойств початков кукурузы
- Напряжения и деформации в початке при сжатии распределенными силами в трехвальцовом очистительном блоке
- Исследование и обоснование закономерностей процесса деформации початков с обертками
Введение к работе
К настоящему времени производство кукурузы занимает практически первое место в мире. По данным ФАО валовой сбор зерна кукурузы, начиная с 2003 года, составляет в среднем 30% мирового баланса зерна, превышая объемы производства пшеницы и риса.
Приоритетным направлением для реализации программ производства кукурузы в России считается обеспечение внутренних потребностей качественным семенным материалом.
Общая потребность России в семенах кукурузы составляет 80—100 тыс.т. (из них на зерно 10-12 тыс. т) и отечественными производителями не обеспечивается из-за сложившегося уровня технического оснащения. Основными причинами этого являются отсутствие организованного производства очистителей початков, неукомплектованность системы машин для механизации работ в семеноводстве техническими средствами, согласованными по производительности.
В технологиях уборки и переработки кукурузы ключевыми являются процессы очистки и обмолота початков. Рассматривая очистительные и молотиль-но-сепарирующие блоки в качестве главных конструктивных элементов необходимо отметить, что улучшение их работы обеспечивает эффективность технологического процесса в целом.
Очистка початков кукурузы и до настоящего времени остается одним из актуальных вопросов в процессе послеуборочной обработки, так как она является обязательным этапом в технологии получения семенного материала, включена в часть технологических схем, по которым выполняется уборка кукурузы на зерно и обязательна при скармливании свиньям.
Как показал опыт эксплуатации современной техники, на сегодняшний день не существует машины, которая обеспечивала бы съем оберток с початков кукурузы с полным соблюдением исходных требований.
В промышленных серийно выпускаемых машинах для уборки и после 8 уборочной обработки початков кукурузы, конструкции которых не претерпели принципиальных изменений за последние годы, используется пассивный способ съёма оберток. Это приводит к увеличению пути и времени обработки каждого початка, способствует повреждению на стадии уборки и последующей очистки как початков в целом, так и зерновок, снижая посевные качества последних.
Результаты многолетних исследований в лабораторных и в полевых условиях широкого спектра молотильно-сепарирующих устройств, свидетельствуют о том, что современные молотильные аппараты не обеспечивают получение семенного материала, отвечающего в полной мере всем исходным требованиям.
Решение существующей проблемы экстенсивным путем (за счет увеличения конструктивных параметров или кратное дублирование МСУ и очистительных батарей) или путем оптимизации режимов работы существующих рабочих органов (за счет применения электронных схем и элементов робототехники) не приводит к желаемому эффекту.
В основу работы любого из очистительных или молотильных аппаратов положен принцип самого эффективного вида движения - вращательного и одной из самых экономичных форм - цилиндрической. Это положение сохраняется в течение многих десятилетий создания и совершенствования очистительных и молотильных аппаратов. Однако реализация теоретических разработок в комбайнах и аппаратах промышленного производства не всегда соответствует желаемым результатам и исходным требованиям.
Подобная ситуация объясняется тем, что и в комбайнах, и в стационарных установках происходит взаимодействие рабочих органов, находящихся в непрерывном динамическом состоянии, с растительным материалом сложной морфологии и анатомии.
Многолетние изучения физико-механических свойств початков кукурузы показали, что этот растительный материал имеет широкий диапазон значений по любому из свойств, характерен нелинейным изменением этих значений в процессе очистки и обмолота, что обусловлено сложной многослойной анизотропной структурой самих початков. Три представителя флоры, в основном используемых в растениеводстве, принципиально отличаются друг от друга анатомией и морфологией початка, колоса и метелки. Поэтому сложившаяся практика конструирования и использования комбайнов и стационарных установок с элементами комбайнов, изначально предназначенных для уборки зерновых колосовых, не дает желаемого эффекта при уборке кукурузы. Но и кукурузоуборочные комбайны и адаптеры также не обеспечивают выполнения исходных требований к процессам очистки и обмолота початков кукурузы.
Очевидно, что предпосылками такой ситуации является недостаточно полная изученность:
— початка кукурузы как биологического объекта и его физико-механических свойств;
— очистки и обмолота как сложных динамических процессов взаимодействия биологического объекта, свойства которого изменяются во время этого процесса, и механической системы с также изменяющимися кинематическими параметрами.
Необходимость разработки принципиально новых технических решений для процессов очистки и обмолота початков кукурузы, обоснованных теоретически и опирающихся на более глубокое исследование анатомических, морфологических и физико-механических свойств обрабатываемого растительного материала, очевидна и актуальна.
Научная проблема состоит в разработке принципиально новых ресурсосберегающих технических решений для процессов очистки и обмолота, максимально учитывающих их особенности и специфику съема оберток и выделения зерновок в процессе непрерывного контакта с рабочими органами, опирающихся на более глубокое исследование некоторых физико-механических свойств початков.
Научная гипотеза по очистке початков — переход от конструкций, в которых съем оберток с початков кукурузы носит случайный характер, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен определенному закону, возможен, если обеспечено раздельное взаимное перемещение всего пакета оберток с измененным характером облегания поверхности початка относительно поверхности зерновок.
Научная гипотеза по обмолоту початков — переход от конструкций, в которых обмолот початков кукурузы связан с неорганизованным воздействием на зерновки, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен определенному закону, возможен, если обеспечено перемещение слоя зерновок относительно стержня.
Рабочая гипотеза — интенсификация процессов очистки и обмолота початков кукурузы, обеспечивающих ресурсосбережение, достигается: минимизацией габаритов аппаратов; исключением неорганизованного перемещения початков; обработкой початков во внутреннем пространстве, образованном рабочими органами, при непрерывном взаимном контакте с рабочими органами; уменьшением времени обработки початков.
Целью работы является обоснование параметров и ресурсосберегающих режимов работы трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков семенной кукурузы.
Изложенный материал представляет собой результат многолетних исследований автора, проведенных в лабораториях Кубанского государственного аграрного университета и в полевых условиях. Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы и тематического плана Министерства сельского хозяйства. Исследования включены в планы НИР Кубанского государственного аграрного университета: на 1991—1995 гг. по теме 29.6 ГРО 1910049840, на 1996-2000 гг. по теме 8 ГР01960009007, на 2001-2005 гг. по теме 11 ГР 01200113467, на 2006-2010 гг. по теме ГР 01.2.006 06833.
Объект исследований — процессы очистки и обмолота початков кукурузы; рабочие органы, макетные и экспериментальные образцы разрабатываемых технических средств. Предмет исследований - закономерности влияния конструктивных, кинематических и динамических параметров на технологические процессы очистки от оберток и обмолота початков кукурузы.
Научная новизна результатов исследования заключается в уточнении теоретико-экспериментальных и методологических аспектов процессов очистки и обмолота початков кукурузы вальцовыми аппаратами и установлении аналитических зависимостей:
- деформации слоя оберток и усилий разрыва и отделения оберток при съеме пакетом с початка от действия распределенных сил и параметров початков и рабочих органов и величин их деформаций;
- деформации слоя зерновок и усилий разрушения связи зерновок со стержнем початка от действия распределенных сил;
- углов затягивания в трехвальцовом аппарате неочищенного початка и початка со снятыми обертками от геометрических параметров и деформаций початка и рабочих органов;
- величины зазора в трехвальцовых аппаратах для очистки и обмолота початков кукурузы от величины деформации пакета оберток и слоя зерновок;
- пути проката оберток, снятых единым пакетом с початка, от геометрических параметров и деформаций початка и рабочих органов;
- числа выделенных зерновок от морфологических характеристик початка кукурузы;
- коэффициентов восстановления зерновок при непрямом ударе.от скорости и угла соударения.
Новизна технических решений очистки початков подтверждается патентами № 2111644 и № 2112349, обмолота початков патентом № 2319336 и линии по обмолоту семенного материала кукурузы патентом № 2171023.
Практическую ценность работы представляют: методика классификационного выбора для исследований показателей физико-механических свойств початков кукурузы; статистические данные по физико-механическим свойствам початков кукурузы; методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы, основанные на результатах теоретико-экспериментальных исследований; конструктивно-компоновочные схемы очистительного и молотильного блоков; исходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмолота початков кукурузы; комплект программ и алгоритмов по расчету параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы; учебные пособия.
Результаты исследований приняты и используются Ассоциацией производителей семян кукурузы (Краснодарский край); Департаментом сельского хозяйства и продовольствия администрации Краснодарского края технические решения включены в «Системы ведения агропромышленного производства Краснодарского края на 2008-2010 гг.»; ГНУ «Кабардино-Балкарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» Россельхозакаде-мии рекомендованы к внедрению усовершенствованные рабочие органы и технология очистки и обмолота початков кукурузы на предприятиях Кабардино-Балкарской республики; результаты исследований внедрены ГНУ КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко.
Учебные пособия (гриф МСХ РФ) и монографии используются в учебном процессе агроинженерных и экономических факультетов ряда ВУЗов России.
На защиту выносятся основные положения диссертации:
— аналитическое обоснование технических средств для очистки и обмолота початков кукурузы;
— методика выбора показателей физико-механических свойств початков кукурузы и результаты их теоретико-экспериментальных исследований;
— результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию геометрических, кинематических и технологических параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;
— методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы; — исходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмолота початков кукурузы;
- предложения по совершенствованию технических средств очистки и обмолота початков кукурузы.
Обзор основных теоретических положений по очистке от оберток и обмолоту початков
К настоящему времени такими учеными, как В.П. Горячкин, Н.И. Гуров, И.О. Василенко, В.В. Деревенко, М.А. Пустыгин, Н.И. Кленин, Э.И. Липкович, Г.Г. Маслов, Э.В. Жалнин, М.Г. Голик, Г.И. Креймерман, B.C. Кравченко, B.C. Курасов, Ю.И. Мозговой, Г.А. Никитина, А.И. Пьянков, В.В. Войцехович, А.И. Гокоев, Т.К. Тогонбаев, Н.Н. Ульрих, К.В. Шатилов проведены значительные теоретические и экспериментальные исследования рабочих органов машин для уборки и послеуборочной обработки початков кукурузы, в том числе и для семенной. В частности, были обоснованы основные параметры рабочих органов и технологических процессов очистки и обмолота початков кукурузы [37, 46, 54, 58, 59, 65, 67, 73, 96, 101, 106, 111, 123, 134, 188, 189, 211, 215, 232, 245, 253, 260, 262, 278, 292]. Анализ выполненных исследований позволил сделать вывод о том, что теоретическое обоснование процесса очистки початков включает следующие позиции: рассмотрение условий захвата (незахвата) початка; определение углов затягивания; обоснование геометрических и кинематических параметров вальцов; определение усилий на перемещение початков и отрыв оберток; определение затрат времени и мощности на съем оберток; расчет производительности и эффективности средств механизации [167, 178]. При определении параметров отрывочных вальцов принято исходить из условия незахвата початка.
М.И. Домбровский предложил зависимость, отражающую незахват початка с учетом угла захвата початка а [68]. В предложенном им выражении не учтены условия процесса и упругие свойства материала. Он же установил зависимость диаметра вальца d от поперечного размера початка и угла захвата. Однако значения диаметров по предложенным выражениям не могут быть использованы для проектирования, так как они превышают принятые в настоящее время и полученные экспериментально-теоретическим путем.
М.И. Домбровским и Т.Ф. Мирошниковой теоретически была определена сила трения N при вращении початка на горизонтальных вальцах и установлено, что в этом случае невозможно обеспечить вращение початка и затягивание оберток.
Н.И. Николаев определил диаметр отрывочного вальца D0Tp на основании теоретических и экспериментальных исследований, исходя из условия незахвата початка. Следует отметить, что предложенной им формулой можно пользоваться только при определенных условиях, когда известно значение коэффициента захвата, характеризующего форму рабочей поверхности [167]. Однако автор не дает численных значений этого показателя.
Нами установлено, что если значение этого коэффициента лежит в пределах 0,1-0,2, то можно определить диаметр вальцов [178].
При исследовании планетарного очистительного аппарата В.А. Абликов исходил из условия незахвата початка вальцом. Им была установлена зависимость, по которой можно определить радиус вальца однопланетарного аппарата г3 [16]. Ввиду отсутствия данных экспериментальных исследований по планетарному аппарату не представляется возможным подтвердить справедливость приведенного выражения.
Выражение, предложенное Ю.И. Мозговым для определения критического угла затягивания а3, не может быть использовано для практического применения, так как в результате получаются значения 1,456—1,47171, которые лежат в узком диапазоне, а это значительно усложняет работу по выбору конструкции [123].
B.C. Кравченко и В.В. Куцеев предложили зависимость для экспериментально-теоретического определения угла захвата початка вальцами а [96]. Значения углов при радиусах вальцов 0,028-0,0355 м и початков 0,01-0,035 м колеблются для различных диаметров вальцов в диапазоне 0,4—1,2л;. Таким образом, возможность захвата оберток початка и втягивание их между вальцами должно быть обеспечено при круговом охвате самого початка.
Продвижение початка по очистительным вальцам сопровождается давлением Р, которое А.И. Гринь определил с учетом некоторых геометрических параметров початков кукурузы и рабочих органов. Однако им не было учтено влияние удельного давления на початок [61].
В современных аппаратах початок поступает на очистку и требует обязательной ориентации вдоль вальцов, на что тратится определенное время, а початок проходит путь L, который A.M. Медведев определил, введя коэффициент X, характеризующий размер початка [117]. Однако значение X автором не дано. Исследуя процесс съема оберток, В.Т. Бондарев нашел время т, необходимое для его осуществления [36]. Значения т, рассчитанные по этой формуле, колеблются в пределах 0,022—0,07 с, что не вписывается в интервал показателей реального процесса.
В.Т. Бондарев определил, что для процесса очистки лучшим будет вариант, когда початок касается большей длиной образующей отрывочных вальцов при одновременном распушивании оберток. При этом время нахождения в зоне отрывочных вальцов початков с плотно прилегающей оберткой должно быть в 2—3 раза продолжительнее. Таким требованиям современные по-чаткоочистительные аппараты не отвечают.
Для оценки качества съема оберток планетарными аппаратами В.В. Де-ревенко предложил коэффициент X, зависящий от геометрических и кинематических параметров [67]. Ю.Д. Северин установил, что уменьшение X от 1,55 до 0,72 ведет к резкому уменьшению степени очистки початков [203].
При проектировании початкоочистительных аппаратов разработчики, как правило, использовали экспериментальные данные по соответствующему прототипу. Это объяснялось широким спектром условий процесса очистки початков, которые не могли быть учтены полностью в теоретических выкладках. Расчет початкоочистительных аппаратов базировался на определении количества пар очистительных вальцов для заданной производительности и качества выполнения очистки [240, 241].
Производительность очистительного аппарата определялась с учетом пропускной способности пары очистительных вальцов разрабатываемой конструкции в сочетании с принятой конструкцией прижимного устройства и могла быть рассчитана как для одной пары вальцов, так и для многовальцовой конструкции.
Выбор показателей анатомо-морфологических и физико-механических свойств початков кукурузы
Заготовка початков была проведена в течение одного дня, в день начала уборки хозяйством, в соответствии с общепринятой методикой. В момент заготовки початков средние значения влажности зерна для различных гибридов колебались от 22,6% у Краснодарского 303 АТВ до 29,4% у БЦ-66/25, стержней початков соответственно от 32,7%) до 49,6% , а оберток - от 18,6% Краснодарского 303 АТВ до 34,7% Молдавского 420.
Средние значения массы изучаемых гибридов варьировали от 2,10-10" до 3,60-Ю-1 кг. Необходимо отметить значительные колебания массы и среди початков одного гибрида. Так, коэффициент вариации для Краснодарского 303 АТВ составил 19,73%), а минимальное значение было у Пионера 3978 — 10,17%). Минимальное значение массы початка было у Молдавского 420 -1,30-Ю-1 кг, а максимальное у БЦ-66/25 - 4,50-10_1кг.
Средний объем початков также изменялся в широком диапазоне — от 2,32-10-4 до 3,90-10" м3. Минимальное значение объема было отмечено у гибрида Краснодарский-303 АТВ — 1,14-10" м, а максимальное — у гибрида БЦ-66/25 - 6,31-Ю"4 м. Наиболее выровненным по объему оказался гибрид Пионер 3978, у которого коэффициент вариации составил 7,38% .
При оценке общей длины початка отмечено, что средние значения колебались от 1,54-Ю-1 до 2,24-Ю-1 м. При этом минимальные и максимальные размеры у большинства гибридов очень близки между собой, что говорит о достаточной выравненное по этому показателю для одинаковых погодных, почвенных и агротехнических условий возделывания. Наиболее выровненным среди рассматриваемых гибридов являлся Пионер 3978 с коэффициентом вариации 4,68% и наименее — Молдавский 420 с коэффициентом вариации 24,54%о.
Кроме общей длины початка, определяющей габариты очистительного и молотильного аппаратов, для технологического процесса очень важной яв 77 ляется длина той части початка, которая непосредственно входит в контакт с рабочими органами. Мы назвали ее опорной. Оценивая длину опорной поверхности початков по предложенной нами методике, установили, что среднее значение изменялось от 1,10-Ю-1 м для Краснодарского 303 АТВ до 1,43-10 м у БЦ-66/25, при колебаниях от наименьших 6,50-10 до наибольших 1,19-Ю-1 м длин у тех же гибридов. Коэффициент вариации для основной части гибридов находился в пределах от 12,20 до 17,48%, и только у Пионера 3978 он составил 7,20%. Для создания аппарата, способного работать в управляемом режиме, необходимо знать максимальные и минимальные значения диаметров опорной поверхности початков, т. е. те которые определяют размерные характеристики рабочих органов и их взаимное расположение. Исследования показали, что средние значения максимальных диаметров опорной поверхности варьировали у БЦ-418 от 4,70-Ю-2 до 5,50-10-2 м у БЦ-66/25, при минимальном — 3,90-10 м у Краснодарского 334 ТВ и максимальном - 6,30-10 " м у Краснодарского 303 АТВ. В пределах каждого гибрида разброс показателей незначителен - коэффициент вариации имел значения 4,17-6,43%. Средние величины минимальных диаметров опорной поверхности почат-ков имели значения 4,30-10 —5,0-10 м. Минимальный диаметр опорной по-верхности - 3,70-10 " м отмечен у гибрида Румынский М 200, максимальный - 5,60-Ю-2 м у БЦ-66/25, Краснодарского 303 АТВ и Краснодарского 382 MB. В процессе транспортирования и перемещения по рабочим поверхностям початки отклоняются от прямолинейности движения из-за нецилиндричности формы, т. е. конусности опорной поверхности, которую мы оценивали углом наклона. Средние значения углов наклона опорной поверхности початков для различных гибридов колебались от 0,69 у БЦ-418 до 1,28 у Краснодарского 303 АТВ. Худшие показатели были у гибрида Румынский М 200 с коэффициентом вариации 58,62%. Уравнения, описывающие форму початков кукурузы, можно использовать при моделировании условий их взаимодействия с рабочими органами сельскохозяйственных машин, а также при имитационных испытаниях и проектировании машин для очистки и обмолота. Формы и размеры початков кукурузы отличаются размерными характеристиками и зависят от сорта, почвенно-климатических условий и других случайных факторов. Нами установлено, что форма початка кукурузы (рис. 2.10 а) близка к форме совмещенных эллипсоидов вращения, и контур его продольного сечения может быть описан следующей системой уравнений (рис. 2.10 б).
Напряжения и деформации в початке при сжатии распределенными силами в трехвальцовом очистительном блоке
Выполнение исходных требований к початкоочистительным аппаратам возможно при условии управляемости процессов и изменении некоторых физико-механических характеристик неочищенного початка кукурузы.
Переход от конструкций, в которых съем оберток с початков кукурузы носит случайный характер или осуществляется частично управляемый процесс, к конструкциям с управляемым процессом, требует решения следующих задач: обязательной ориентации неочищенных початков перед поступлением в очистительный аппарат; захват рабочим органом и затягивание в рабочий зазор; перемещение в рабочее пространство; изменение некоторых физико-механических свойств, улучшающих условия проведения технологических процессов очистки требуемого качества; раздельного взаимного перемещения зерновой части и оберток в процессе их съема без разрушения зерновой части початка при очистке початков от оберток; разгрузку очистительного блока от очищенных початков.
В реальных условиях в початке, нагруженном внешними силами, возникают три системы напряжений и деформаций. В зоне упругого локального контакта початки испытывают напряжения сжатия, изгиба, кручения и другие под влиянием внешних нагрузок от рабочих органов при очистке от оберток. Вблизи силовых контактов, передающих концентрированные сжимающие нагрузки, действует местные напряжения (в нашем случае не превышающие предел упругости зерновой части початка). В поверхностном слое микронеровностей оберточных листьев действуют силы ультраместных напряжений и деформаций, которые протекают как в упругой, так и в пластической области.
Исследуемый неочищенный початок представляет собой сложный биологический объект, в котором четко выделяются три зоны, различные по плотности, размерным характеристикам, контакту между собой, структуре, коэффициентам трения и обладающие различными показателями жесткости, объемной деформации, упругости, архитектоники и другим.
Поэтому изучение контактных напряжений в местах взаимодействия при передаче усилий от очистительного аппарата необходимо для решения проблемы сохранения целостности початка при съеме с него оберток.
Определение деформаций в местах контакта початка и рабочих органов необходимо для выполнения расчетов при определении усилий сжатия, скорости перемещения початка, размерных характеристик рабочих органов и технологических режимов. Исследование деформаций и напряжений в местах контакта початков и рабочих органов представляет собой один из наиболее сложных разделов приложения современной теории упругости. Задачи, описывающие взаимодействие с анизотропными, имеющими сложное строение объектами, являются переходными от классических задач теории упругости, для которых характерна линейная зависимость напряжений от нагрузок к задачам, типичным для нелинейной теории упругости [23, 39, 43, 44, 49, 52, 57, 91, 95, 108, 110, 127, 138, 151, 210, 216, 222, 267]. При контактных нагрузках состояние материала характеризуется большими градиентами напряжений и локализацией последних в относительно небольших объемах вблизи поверхности. Кроме этого, ему присущи значительные действующие и допускаемые напряжения в двухмерной и трехмерной системах. Результаты аналитических и экспериментальных исследований позволили сделать вывод о том, что в подавляющем большинстве случаев упругого контакта рабочих органов и материала наиболее напряженными являются две зоны: крайнего верхнего слоя и максимальных касательных напряжений, располагающихся на некоторой глубине, а при определенных внешних уеловиях нагружения смыкающихся с крайней поверхностной зоной. Одновременно установлено сложное взаимодействие поверхностей с проскальзыванием в пределах контактной площадки даже при нормальном сжатии тел и значительное воздействие сил трения на напряженное состояние материала вблизи поверхности контакта. Перемещение зоны контакта вызывает циклические изменения напряжений. Чтобы определить их влияние, следует рассматривать механизм контактных деформаций при пульсирующем контакте, качении и смешанном движении контакта. При этом обертку початка можно рассматривать как упругую оболочку цилиндрической формы, закрытую с одной стороны [44]. При решении вопросов взаимодействия рабочих органов очистителя початков с початками исходили из основных положений классической теории деформации тел в местах контакта. А именно, что силы давления, передаваемые от одного тела к другому и распределенные по поверхности контакта, нормальны к этой поверхности. Вместе с тем учитывали и возникновение касательных нагрузок, связанных с относительным скольжением в процессе съема оберток с початка. Большинство исследований по очистке початков кукурузы относятся к случаю, когда они сохраняют полную упругость и в них отсутствуют остаточные напряжения. Но, изучая процессы разрушения при контактных нагрузках, необходимо учитывать образование и влияние остаточных напряжений и накапливающихся пластических деформаций, изменяющих исходные свойства материала. При качении имеют значение три наиболее важных момента: влияние сил трения и проскальзывания на контактирующих поверхностях; влияние влаги как гидродинамической смазочной пленки между поверхностями; влияние неупругих свойств материала початка, в том числе вязкоупругости и пластичности. Однако полные и точные решения задач, касающихся анизотропных тел со сложной структурой, таких, как початок кукурузы, при прокате, до на Теоретическое решение вопроса процессов съема оберточных листьев в щадящем режиме с анализом полученных закономерностей и их графической интерпретацией было выполнено в следующей последовательности: - напряжения и деформации в початке (принятого в качестве анизотропного тела) при сжатии распределенными силами определены с использованием основных положений теории упругости и специальных разделов теории интегрального исчисления; - изменение формы поверхности початка в оберточных листьях (как тела с переменными характеристиками) при сжатии распределенными силами определено с использованием основных положений теории упругости; - угол затягивания початка и зазоры в рабочем пространстве очистительного аппарата рассчитаны графо-аналитическим методом с применением основных положений тригонометрии на плоскости;
Исследование и обоснование закономерностей процесса деформации початков с обертками
Для создания аппарата, работающего в режиме, когда обертки снимаются единым пакетом и движутся согласно заданному закону относительно зерновой части, необходимо было знать предельное значение упругости початков при сжатии с тем, чтобы обеспечить гарантированную фиксацию их рабочими органами без разрушения.
Для определения прочностных характеристик початков были проведены испытания на машине УИМ-30. Результаты обработки кривых нагружения свидетельствовали о сложном процессе деформации початков кукурузы и последующего их разрушения. Для всех кривых характерно наличие 4—5 ступеней [154].
Первая ступень соответствует пределу пропорциональности и соответствует закону Гука. За первой ступенью наступает нарушение связи зерен початка со стержнем. За предельное усилие поджатия початка в аппарате нами принято значение, равное половине среднего, полученного в результате испытаний, которое составило 550 Н [167, 169].
Было установлено, что в зависимости от архитектоники стержней, различаются два типа интегральных кривых для початков: с заполненными, плотными стержнями; с пустотелыми, рыхлыми стержнями.
Решение контактной задачи при одновременном действии на початок нормальных и касательных сил, выполнялось приближенно. Основное допущение заключалось в том, что для нормальных сил сохранялся эллипсоидальный закон распределения по площади контакта, а касательные были пропорциональны нормальным. Отношение касательных к нормальным силам приняли величиной постоянной, равной коэффициенту трения.
Как уже отмечалось, наибольшие значения нормальные напряжения достигают у контура площади контакта. Влияние касательных сил сказывается в постепенном приближении точки с наибольшим касательным напряжением из глубины к поверхности соприкасающихся тел и в росте величины этого напряжения параллельно с увеличением значения коэффициента трения.
Для подтверждения теоретических решений деформации початков и изменения площади контакта с вальцами, были выполнены экспериментальные исследования, результаты которых представлены на рисунках 4.4 и 4.5.
При допущении, что площадь контакта початков с рабочими органами — приводным (диаметром 71 мм) и ведомым (диаметром 56 мм) вальцами - при сжатии от 85 до 550 Н является эллипсом, нами определены удвоенные значения большой (а) и малой (Ь) осей и рассчитан относительный эксцентриситет контурного эллипса области контакта (е), а также по таблицам определены эллиптические интегралы первого рода (К(е)), второго рода (L(e)) и их комбинация (D(e)).
В результате анализа полученных данных определили, что отношение удвоенной большой оси эллипса контакта (2а) к длине опорной поверхности початка (Lon) является величиной, зависящей от давления и материала поверхности рабочего органа, контактирующего с початком. Отношение удвоенной малой оси эллипса площадки контакта (2b) к среднему диаметру початка по опорной поверхности (dn) также зависит от давления и материала поверхности рабочего органа.
Нами была установлена взаимосвязь между размерными характеристиками початка и давлением на него при съеме оберток и деформациях. Она отражена эмпирическими зависимостями для определения осей контурного эллипса контакта початка с рабочими органами очистительного аппарата (а) и (Ь) для поверхностей из стали и резины, используемых в очистительных вальцах, наибольшего давления ро и сближения контактирующих тел 8.
