Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 17
1.1. Культура сорго, её биологические особенности 17
1.2. Биологические особенности риса и условия работы комбайнов 22
1.3. Существующие технологии уборки сорго 27
1.3.1. Уборка семенников сорго 31
1.1.1. Уборка зернового сорго на зерносенаж (монокорм) 34
1.3.1. Уборка сорго на силос 3 5
1.3.2. Уборка сорго на зелёный корм, сено и сенаж 36
1.4. Семеноводство 37
1.5. Существующие молотильные аппараты и анализ их рабочих процессов 47
1.6. Адекватная теория обмолота хлебных культур 59
1.7. Выводы по главе 1 64
1.8. Цель и задачи исследования 66
Глава 2. Теория инерционно-очёсного оморота 67
2.1. Способы подачи растений в молотильное устройство 67
2.2. Способы разрушения плодоножки 71
2.3. Условие сохранения стеблей (графоаналитическое исследование)
74 2.3 1. Первый этап 79
2.3.2. Второй этап 92
2.4. Рабочий процесс обмолота 107
2.5. Кинематика и динамика процесса отделения зерна 115
2.6. Аналогии к инерционно-очёсному обмолоту 131
1 2.7. Параметры инерционно-очёсного МСУ. Молотильный зазор 133
2.7.1. Частота пульсаций, диаметр вальцов, число лопастей и обмолачивающих # кромок 135
2.7.2. Однолопастные вальцы 141
2.8. Оптимизация конструктивных параметров инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств. Удельные энергозатраты 144
2.9. Транспортировка зерна 156
2.10. Заключение. Общие и индивидуальные достоинства инерционно-очёсных МСУ 166
2.11. Выводы по главе 172
Глава 3 Программа и методика экспериментальных исследований 176
3.1. Программа и методика экспериментальных исследований обмолота
риса оребрёными вальцами 176
3.1.1. Методика и приборы для определения технологических свойств риса 176
3.1.2. Лабораторная установка инерционно-очесного МСУ модификации «оребреные вальцы». Приборы исследования 182
3.1.3. Методика выбора варианта рабочей гипотезы 188 ^
3.1.4. Методика определения кинематических, динамических и энергетических показателей 192
3.1.5. Обработка экспериментальных данных, точность измерений 195
3.2. Программа и методика экспериментальных исследований обмолота зернового
^ сорго рабочими органами «лопасти с канавками» 197
3.2.1. Программа исследований. Условия проведения опытов 197
3.2.2. Необходимое количество опытов и точность их результатов 198
3.2.3. Методика проведения опытов по определению технологических свойств растений зернового сорго 200
3.2.4. Скоростная киносъёмка процесса очесывания метелок сорго битерами «лопасти с канавками» 202
" 3.2.5. Экспериментальная лабораторная установка 203
3.2.6. Определение степени повреждения зерна сорго битерами «лопасти с
Л канавками» 207
3.3. Программа и методика экспериментальных исследований обмолота веничного
сорго щелевыми битерами 208
3.3.1. Программа экспериментальных исследований 208
3.3.2. Методика проведения опытов по определению технологических свойств растений веничного сорго 211
3.3.3. Экспериментальная лабораторная установка 212
3.3.4. Методика планирования многофакторного многокритериального эксперимента 217
3.3.5. Опытный образец комбайна для сбора всего биологического урожая веничного сорго 223
3.3.6. Порядок проведения лабораторно-полевых испытаний 225
3.4. Выводы по главе 226
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 228
4.1.1. Физико-механические свойства риса 228
4.1.2. Выбор варианта рабочей гипотезы (поисковые опыты) 234
4.1.3. Результаты экспериментальных исследований процесса обмолота риса оребрёными вальцами 240
4.1.4. О сепарирующих возможностях гранных вальцов с рёбрами 247
Л 4.1.5. Удельные затраты энергии на обмолот 251
4.2. Технологические свойства растений зернового сорго 254
4.2.1. Размерно-массовая характеристика растений 254
4.2.2. Фрикционные свойства семян зернового сорго 255
4.3.1. Технологические свойства растений веничного сорго 256
4.3.1.1. Размерно-массовая характеристика растений веничного сорго 256
4.3.2. Физико-механические свойства веничного сорго 258
^ 4.3.2.1. Фрикционные свойства семян 258
4.3.2.2. Критический радиус изгиба элементов метёлки 259
43.23. Динамическая прочность плодоножки 260
4.3.3. Оптимизация основных конструктивно-технологических показателей МСУ
«щелевые битеры» 261
4.3.4. Проверка работоспособности установки 272
4.3.5. Результаты полевых испытаний комбайна для уборки веничного сорго 273
4.3.5.1. Обсчет результатов полевых испытаний 276
4.3.5.2. Результаты производственного эксперимента по сохранности веничного сырья 277
4.4. Определение фактических удельных энергозатрат процесса обмолота 277
4.5. Результаты проверочного обмолота неметёлочных растений 279
4.6. Практическое использование результатов научных исследований инерционно-очёсных молотильных аппаратов 280
4.6.1. Дальнейшие исследования инерционно-очёсных МСУ 283
4.6.2. Инерционно-очёсные МСУ в селекции и семеноводстве 284
4.6.3. Возможные технологические схемы зерновых комбайнов 288
4.7. Выводы по главе 291
Глава 5. Технико-экономическое обоснование 294
Общие выводы по диссертации 303
Рекомендации производству 305
Список использованной литературы 306
Приложение 326
- Семеноводство
- Рабочий процесс обмолота
- Кинематика и динамика процесса отделения зерна
- Методика и приборы для определения технологических свойств риса
Введение к работе
# В работе представлены: 1) теория сохранения стеблей в процессе обмолота; г 2) теория отделения зёрен от метёлки и 3) общая теория инерционно-очёсного обмолота растений на примере колосовых культур. Обоснована и доказана возможность обмолота растений с иными соцветиями.
Способность молотильно-сепарирующих устройств (МСУ) инерционно-очёсного воздействия обмолачивать растения с сохранением листьев и стеблей в целости позволяет отделять зерно метёлочных культур в широком диапазоне влажности (зерно - 25...30 %, листья и стебли - до 70 %). В результате появилась возможность уборки всего биологического урожая зерновых культур (зерно и листостебельная масса) в разные ёмкости одним проходом агрегата.
Сохранение в целости листостебельной части растений гарантирует получение чистого зернового вороха и существенную экономию удельных энергозатрат на рабочий процесс обмолота, что открывает перспективы в создании экономичных зерноуборочных комбайнов.
На основе теорий и пяти модификаций инерционно-очёсных МСУ разработаны энергосберегающие технологии уборки зерновых культур, шестикратно проверенные в хозяйственных условиях. Сохранение в процессе обмолота всех частей растений (кроме плодоножки) в целости открывает новые перспективы в селекции и семеноводстве.
Низкие удельные энергозатраты на обмолот (0,16...0,36 кВт на 1 кг/с подачи хлебной массы) позволили применить на макетном образце комбайна электропривод МСУ, что открывает перспективу использования автономных возобновляемых источников энергии.
Пояснения к терминам и символам
Граничный режим обмолота — режим, при котором из соцветия (метёлка или колос) вымолачивается не менее 98,0 % и не более 99,0 % зерна.
Захлёстывание - вращение массы (зерновки) на уменьшающемся радиусе; при этом скорость вращения увеличивается, и зерновка в процессе движения по лопасти надёжно прижимается к поверхности лопасти.
Просторный молотильный зазор - между обмолачивающими битерами пульсирует в пределах 20...25 мм, при этом толщина метёлки, распластанной по лопасти битера, равна 8...10 мм (максимально - 15 мм).
Si - зазор, ограниченный двумя параллельными плоскостями, расположенными между битерами и перпендикулярными к плоскости осей вращения битеров (основной зазор).
6г - зазор между описанной окружностью (в профиле) одного битера и окружностью с тем же центром, соприкасающейся с ближайшими точками другого битера.
8з — зазор между выступом лопасти одного битера и окружностью с центром кривизны этого выступа, соприкасающейся с двумя ближайшими точками другого битера.
В паре четырёхлопастных битеров диаметром 115 мм (радиус кривизны лопасти і?Кр.л= 80 мм, выступа/?крв = 10 мм) зазоры равны Ъ\ = 12,5 мм; 5г = 18 мм; 6з = 25мм.
А — зона обмолота, находится между окружностями, проходящими через обмолачивающие кромки лопастей битеров (рис. 2.25) или пороги лопастей битеров (рис. 2.54).
Задача науки во все времена заключается в повышении производительности труда, повышении качества технологических процессов и уменьшении материальных и энергетических затрат.
Рассматривая историю развития процесса обмолота, следует отметить, что человек первоначально извлекал зёрна диких злаков безо всяких механизмов путём растирания колосьев или метёлок между ладоней, отделял зерна от растений деревянным пестом в деревянной ступе, позже цепами на току, копытами животных, рубчатыми катками. И делал это с небольшими затратами энергии. Современная технология уборки зерновых культур - обмолот комбайном.
Земледелец, обмолачивавший урожай зерновых на току, был ограничен в энергетических возможностях одной лошадиной силой. При обмолоте цепами один работник во время длительной работы развивает мощность 0,1 л. с, а 10 работников, следовательно — 1 л. с. Обмолот естественно осуществлялся с минимально возможными затратами энергии. Современный комбайн Дон-1500Б оснащён двигателем мощностью 235 л. с. и расходует на обмолот 1 кг/с хлебной массы 7 кВт, а на обмолот и очистку зерна - 15 кВт.
Созданные человечеством зерноуборочные комбайны универсальны, убирают зерновые культуры (колосовые и метёлочные), бобовые, кукурузу, подсолнечник и семена трав. Эти культуры имеют разные соцветия, которые обмолачивает одно и то же МСУ «барабан-дека». И если колосовые культуры убирают летом при жаркой погоде и сухом воздухе, то недостаток классического МСУ не проявляет себя резко отрицательно.
А недостаток следующий. На рисунках 1 и 2 представлены рядом для сравнения МСУ «барабан-дека» [242] и дробилка. Конструкции МСУ «барабан-дека» (рис. 1) и молотковой дробилки типа ДКУ-1, КДУ-2, ДБ-5 (рис. 2) имеют много общего: барабаны и деки, бичи и секции молотков, в обоих случаях — . сепарирующие устройства. Ряды молотков и бичи, гребни деки дробилки и Ф выступы деки МСУ одинаково характерны скруглёнными углами рабочих поверхностей. Способ воздействия на сырье тоже одинаков — перетирание. Можно # отметить отличие не в пользу МСУ, в котором молотильный зазор жёсткий, а в дробилке шарнирно подвешенные молотки демпфируют рабочий зазор, смягчая воздействие на сырьё.
Метёлочные культуры рис и сорго имеют длительный период вегетации, от 125 до 150 дней; их фаза полной спелости приходится на осень с её высокой атмосферной влажностью, осадками, пасмурным небом, холодами и заморозками. В фазе полной спелости зерна листья и стебли метёлочных культур содержат 70.. .60 % влаги, а зёрна - 30.. .25 %.
В процессе обмолота в классическом МСУ «барабан-дека» происходит перебивание стеблей и листьев. Повреждённые стебли, листья, ветви метёлок выделяют клейкий сок; этот сок подсыхает, и барабан молотильного аппарата останавливается. Кроме того, на ненужные операции — трение сжатой между барабаном и декой хлебной массы, перебивание стеблей и листьев, повреждение зерна - расходуется много энергии. В МСУ «барабан-дека» удельные затраты энергии на перебивание стеблей и листьев, на трение между барабаном, хлебной массой и декой составляют 70 % от всех затрат на обмолот. jgt Выделение зёрен из соломистого вороха, представляющего собой пространственную решётку из перебитых стеблей листьев, соцветий, требует дополнительных затрат энергии на решётный стан, вентилятор, соломотряс. В целом на молотилку приходится 80 % (76...86) мощности двигателя комбайна. При таких обстоятельствах перетирание всей хлебной массы, как способ обмолота, является мало подходящим воздействием.
По рациональной формуле В.П. Горячкина [58] мощность (работа, энергия, усилие) распределяется для молотильного барабана, как:
Nm = NT + N3 + Nc + Nya, где iVnT - мощность, затрачиваемая бильным барабаном на деформацию (перетирание) хлебной массы; NT - трение в подшипниках и перемешивание воздуха; JV3 - выделение зерна (разрушение колоса); Nc - разрушение стеблей; Л д -удар и сообщение скорости продуктам обмолота.
М.А. Пустыгин [214] выявил такое распределение мощности для бильного барабана в процентах (табл. 1.1)
Таблица 1.1 По поводу таблицы М.А. Пустыгина мнение А.Н. Гудкова (и его ученика Скворцова А.К.) такое: трение в подшипниках и перемешивание воздуха — это не вредные сопротивления, а сопутствующие; и можно попытаться их уменьшить. А вот трение от сжатых стеблей, трение от изгиба стеблей, разрушение колосьев, разрыв стеблей не нужны и вредны, как в плане затрат энергии, так и в плане выделения зерна из соломистого вороха. Удар и сообщение скорости трансформируются в деформацию плодоножки и транспортировку продуктов обмолота из молотильного зазора. Эти воздействия и являются собственно обмолотом. Фактически на обмолот расходуется лишь 7 % от затрат энергии на молотильный аппарат.
Наши выводы из анализа работы М.А. Пустыгина такие: хлебная масса не должна подвергаться сжатию. Кроме того, в плане сохранения листьев и стеблей, необходимо исключить воздействие на листостебельную часть растений чрезмерно больших поперечных ускорений. С целью сохранения листьев и стеблей необходимо исключить переход изгиба стеблей и листьев за критическую величину.
Работа молотильного аппарата «барабан-дека» сопровождается повреждением зерна. Это происходит в результате значительного сжатия хлебной массы (и семян в том числе) и высокой окружной скорости барабана 32...35 м/с. Зерно с макро- и микроповреждениями при хранении подвержено воздействию микроорганизмов и амбарных вредителей и, как семена, проявляет невысокие репродуктивные свойства. Необходимо разработать такой молотильный аппарат, который выдаёт высококачественные семена.
В периодической печати имеются публикации о том, что семена некоторых культур и сортов, обмолоченные в фазе восковой спелости, имеют большую энергию прорастания, лабораторную и полевую всхожесть, дают более высокий урожай зерна и зелёной массы (сорго). В плане культуры сорго, имеющей длительный период вегетации, уборка которой приходится на осень, получение семян на неделю раньше имеет существенное значение. В районе Поволжья можно уверенно получать свои семена не только сверхранних сортов, но и более позднеспелых.
Технология уборки сорго на семена вынуждена предусматривать десикацию — обработку растений боевыми отравляющими веществами. Они воздействуют на растение после всасывания через листья.
Ядовитые вещества заражают растения и почву. Листостебельная часть Ф растений в этом случае непригодна на корм животным. Она непригодна и без обработки ядами, в результате естественного высыхания растений. Листья и стебли становятся жёсткими, грубыми, питательные вещества вымыты росой и выжжены солнцем.
Молотильный аппарат, способный отделять зерно зелёных растений, позволит использовать также незерновую часть на корм, то есть убирать весь наземный биологический урожай в разные ёмкости одним проходом агрегата.
В отношении колосовых культур проблема уборки зерна на пищу, фураж или семена в фазе восковой спелости не так остра, но такая технология позволит растянуть сроки уборки без потерь урожая. Кроме того, солома с зелёных растений -это более мягкий, более качественный корм для животных.
Известно много культур, которые дают высокий урожай зелёной массы, кормовых единиц с 1 га и достаточно богаты протеином. Это - клевер, люцерна, эспарцет, донник, лядвенец рогатый, тимофеевка луговая, овсяница луговая, ежа сборная, житняк, кострец безостый, райграс высокий, райграс многоукосный, волоснец сибирский, вика мохнатая, сераделла, горец Вейриха, борщевик Сосновского и многие другие. Их называют высокопродуктивными кормовыми культурами. Получение семян этих культур представляет значительные трудности вследствие богатой зелёной массы, которая на семенниках идёт в отходы. Здесь может исправить ситуацию молотильный аппарат, способный обмолачивать растения в широком диапазоне влажности. И в этом случае сбор семян будет осуществляться одновременно со сбором урожая зелёной массы.
Цель работы - разработка ресурсосберегающих технологий и средств механизации уборки зерновых культур на примере сорго и риса с использованием инерционно-очёсных молотильных аппаратов.
Объектами исследования являются технологические процессы и технические средства уборки всего наземного биологического урожая метёлочных культур и растений с иными соцветиями.
Предмет исследования - параметры рабочих органов и режимы работы процесса инерционно-очёсного обмолота, его взаимосвязи в технологических схемах зерноуборочных комбайнов.
Методы исследований — системно-структурный анализ технологий и средств механизации уборки зерновых культур, физическое моделирование, математическое моделирование, математическая теория эксперимента, натурный эксперимент.
Научная новизна состоит в разработке:
- инерционно-очёсного способа обмолота в широком диапазоне влажности метёлочных культур и культур с иными соцветиями;
- закономерностей сохранности в процессе обмолота зерна, стеблей, листьев и соцветия;
- модификаций инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств;
- технологических схем зерноуборочных комбайнов;
- в обосновании характеристик инерционно-очёсных молотильно- сепарирующих устройств.
Новизна технологических и технических решений защищена тремя сольными патентами и тремя — в соавторстве на патентовладельца ВГСХА. Практическую значимость составляют:
- конструкторские разработки (на основе созданной теории) пяти модификаций инерционно-очёсных МСУ;
- технология уборки всего наземного биологического урожая риса, сахарного сорго, зернового сорго, пшеницы в широком диапазоне влажности;
- технология изготовления веников с использованием инерционно-очёсного МСУ.
• Реализация результатов исследований. Технологии уборки всего наземного биологического урожая сахарного сорго агрегатом, состоящим из комбайна «Нива», приспособления для уборки початков кукурузы ППК-4, блока выносных молотильных камер, а также автомобиля-самосвала и трактора МТЗ-80 с тележкой 2ПТС-4М прошла производственную проверку в 1990 году на полях НПО «Саратовсорго».
Селекционная молотилка для сорго эксплуатировалась с 1991 года заведующим ь Волгоградским филиалом Всероссийского научно-исследовательского института сорго и других зерновых культур (ВНИИ СЗК) Куликовым А.И..
Производственный обмолот 5000 кг метёлок сорго-суданкового гибрида осуществлён в лаборатории программирования урожая ВГСХА с 11.1992 по 01.1993.
В производстве веников использовались стационарные молотилки в ГУП ОПХ «Волгоградское» с декабря 1993 года по апрель 1997, с октября 2001 по февраль 2002 года и в Волгоградском областном «Агропромэнерго» с октября 1995 по май 1996 года.
Технология уборки веничного сорго комбайном, состоящим из трактора Т-16МГ, прямоточной выносной молотильной камеры (ПВМК), жатки, транспортёра метёлок и тракторной тележки 2ПТС-4М внедрена в ОАО «Червлёное» в 2002 году.
Научно-методические разработки используются в учебном процессе ВГСХА (курсовое, дипломное проектирование, аспирантура) по специальностям «Механизация сельского хозяйства» и «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались с 1990 по 2004 год на ежегодных научно-технических конференциях ВГСХА, международных научно-практических конференциях, заседаниях ученых советов Всероссийского научно-исследовательского института орошаемого земледелия (ВНИИОЗ), Всероссийского научно-исследовательского агролесомелиоративного института (ВНИАЛМИ), на техническом совете ГСКБ Волгоградского экспериментального завода оросительной техники (ВЭЗОТ), на техническом совете Волгоградского филиала Всероссийского научно-исследовательского проектно-технологического института механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИИПТИМЭСХ). Было доложено на научно-производственном совещании ВНИИ СЗК, на научно-производственном совещании НПО «Саратовсорго», техническом совете Волгоградского областного отдела механизации сельского хозяйства, Волгоградской областной «Сельхозтехники», конференциях ассоциации «Большая Волга».
Структура и объём диссертации. Диссертация в виде монографии состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы. Отдельно сброшюрованы «Приложения». Диссертация изложена на 328 страницах, является • рукописным изданием, иллюстрирована 128 рисунками, 46 таблицами. Список использованной литературы включает 337 наименований, в том числе 20 на иностранных языках.
Публикации, Основное содержание, результаты, рекомендации, перспективы дальнейших исследований отражены в 6 патентах, статьях в журналах «Механизация и электрификация сельского хозяйства», «Тракторы и сельхозмашины», «Сельский механизатор» и других изданиях, всего 36 публикаций.
Рабочая гипотеза, принятая нами, содержит следующие элементы:
1. «Обмолот - есть отделение плода-зерновки от материнского растения» — Щ сформулировано А.Н. Гудковым в отношении соцветия метёлки. Деформация иных частей растения, кроме плодоножки, недопустима.
2. Обмолот должен осуществляться в просторном молотильном зазоре (см. с. 7 «Пояснения...»), то есть рабочие органы молотильного аппарата не должны сжимать соцветие и другие части растения. Это сохранит растение в целости, предотвратит нерациональный расход энергии на деформацию частей растения, позволит нейтрализовать причину выделения клейкого сока.
3. Стебли растений (к листьям это менее относится) не должны испытывать в поперечном направлении больших нагрузок, то есть безопорный поперечный удар не должен быть для стебля деформирующим.
4ц 4. Соответствие рабочих поверхностей МСУ критическим радиусам изгиба ветвей метёлки. Радиус кривизны поверхности рабочего органа - лопасти битера — должен быть больше критических радиусов изгиба ветвей метёлки.
Соблюдение этих элементов рабочей гипотезы позволит использовать энергию двигателя по конкретному назначению - деформация плодоножки и ничего более. Реализация рабочей гипотезы должна привести к значительному снижению удельных затрат энергии на обмолот и снижению травмирования семян.
С выполнением этих условий удельные энергозатраты на обмолот будут подразделяться на:
- трение в подшипниках и вентиляторный эффект;
• - трение между рабочими органами и частями растений;
- деформация плодоножки;
- транспортировка продуктов обмолота из молотильного зазора. И рациональная формула В.П. Горячкина предстает в таком виде:
- об - -хк - -тр т -"-уд где Аоб - энергия, затрачиваемая на обмолот;
Ахх— энергия холостого хода;
Ajp— энергия, затрачиваемая на трение при очёсе;
Аот— энергия отделения зерна;
Ауд - энергия, затрачиваемая на удаление (транспортировку) зерна и соломы из молотильного зазора.
Ниже (глава 1, рис. 1.6) приводится разработанная нами классификация, способствующая осуществлению рабочей гипотезы.
Очёсывающие молотильные устройства таят в себе возможность сохранять все части растения, а плодоножку — разрушать. Особенности строения соцветий «метёлка», «колос» как частные, так и общие, предопределяют необходимость перебора известных и возможных очёсывающих рабочих органов и развития метода очёса. С точки зрения энергозатрат метод очёса - экономичен, так как рабочие органы МСУ контактируют не со всеми частями растения; специфичен, так как наиболее пригоден для риса, сорго и других метёлочных растений; и, вместе с тем, обладает возможностью использования его на других культурах.
Автор приносит сердечную благодарность за помощь в работе координатору исследовательских работ по инерционно-очёсному, обмолоту профессору Н.Г. Кузнецову, научному консультанту профессору А.Н. Цепляеву; за плодотворное сотрудничество - профессору А.И. Ряднову, профессору М.Н. Шапрову, доценту СВ. Иленёвой, ассистенту Шарипову Р.В., за ценные и своевременные советы - профессорам А.Г. Рыбалко, Н.И. Шабанову и В.И. Пындаку; за мораль-ш ную поддержку и помощь - профессорам К.В. Эзергайль, А.Г. Жутову, В.И. Баеву, А.П. Николаеву, А.П. Сапункову, А.Ф. Рогачёву, и доценту В.А. Борознину.
Семеноводство
Доктор с.-х. наук, член-корреспондент ВАСХНИЛ Малиновский Б.Н. в статье «Проблемы семеноводства сорго» [154] отмечает, что «основная причина медленного расширения посевов сорго - отсутствие в необходимом количестве первоклассных семян». И поясняет, почему это получается. «Сорго - культура поздних сроков созревания. На Северном Кавказе среднеспелые и позднеспелые ее сорта обычно убирают в сентябре — октябре, когда быстро понижается температура и повышается относительная влажность воздуха». Период уборки сорго определяется по трем показателям: влажности, максимальному накоплению абсолютно сухого вещества и всхожести зерна. По данным исследований за 1974...1975 годы, прирост сухого вещества в семенах в зависимости от сорта и погодных условий прекращается при влажности 29-36 % [153...155]. От посева до уборки урожая растение в своем произрастании проходит фазы (или этапы) развития. У метелочных растений риса и сорго период развития довольно длителен и составляет у сверхраннеспелых 80 дней, у позднеспелых до 125 и более дней. Ниже (табл. 1.6) представлены фазы развития сорго [328]. В статьях [122, 123, 124, 125] Когут М.М., Алексеев Р.В. и Трачук С.С. освещают вопрос посевных качеств семян сорго, который представляет существенный интерес в плане разработки инерционно-очесного молотильного устройства. Обстоятельства эти следующие. Таблица 1.6 # Фазы развития сорго Климатические условия зоны соргосеяния в нашей стране не позволяют получать высококачественные семена сорго, дожидаясь их полного созревания на корню. Они исследовали посевные качества семян, убранных в различных фазах спелости: восковой и полной. Результаты, приведенные в таблице, свидетельствуют, что, несмотря на несколько меньшую массу семян (разница в 3...5 %), у трех сортов - Хазине 4, Скороспелое 89 и Зерноградское 3 - энергия прорастания семян, всхожесть и сила роста (взошло семян) оказались выше у семян убранных в восковой спелости по сравнению с полной спелостью. Травмирование семян восковой спелости меньше, чем семян полной спелости. И это средние данные за три года исследования - 1977...1979 (табл. 1.7).
У семян Хазине 4 сила роста семян фазы восковой спелости превышает на 7,3 % в абсолютных единицах и на 8,5 % - в относительных. Семена восковой уборочной спелости сорта Скороспелое 89 сильнее на 6,7 %. Семена восковой уборочной спелости сорта Зерноградское 3 сильнее на 6,7 %. Более того, семена молочно-восковой и молочной уборочной спелости прорастают и дают всхожесть (см. табл. 1.8). Авторы не делают в статье акцента на созревание при хранении в метёлках и в насыпи. Они приводят табличные данные, подтверждающие тезис о том, что Таблица 1.7 Ф Посевные качества семян разной уборочной спелости Таблица 1.8 Всхожесть (%) после 50 дней хранения w раздельная уборка лучше прямого комбайнирования, так как в валке семена дозревают. Вывод: зерно на семена можно убирать и при восковой, и при молочно-восковой и при молочной спелости, если иметь молотильное устройство, способное обмолачивать зелёные растения. Разница в сроках уборки составляет от 14 до 20 дней. В статье [191] Науменко и Калашник приводят в частности сведения о связи ф между спелостью зерна сорго и его влажностью, через которую объективно, в цифрах определяется фаза спелости (табл. 1.9) и данные по урожаю зелёной массы и зерна (табл. 1.10 и 1.11), полученному от семян, обмолоченных в разных фазах. Таблица 1.9 Влажность зерна различной спелости Таблица 1.10 Урожай зеленой массы сорта Гибрид 698, посеянного семенами разной спелости Таблица 1.11 1.6. Урожай зерна сахарного сорго Гибрид 698 в зависимости от фазы спелости высеянных семян В статье [115], А.Н. Колюжный и Гладыш В.П. отмечают, что обрушенность семян сорго снижает посевные и урожайные свойства. Пленка обрушивается молотилкой комбайна, обрушивается она и лабораторной молотилкой. Так семена с разной степенью обрушенности от 1...5 до 66...70 % исследователи получали, пропуская в течении разного времени через лабораторную молотилку. Чем выше степень обрушенности семян, тем хуже их качество. При обрушенности 26...30; 46...50; 66...70 % энергия прорастания их была ниже, чем на контроле, соответственно на 31,7; 37,2 и 57,5 %; лабораторная всхожесть - на 22,8; 39,6 и 55,9 % и сила роста по количеству ростков была ниже на 39, 54 и 75 %. ГОСРУ ІЙСКАЯ Контрольная партия обмолачивалась в ладонях. Л ОТККА # В статье [191] отмечается, что «У зернового сорго Низкорослое 93 также более высокую полевую всхожесть имеют семена, убранные в фазах восковой и полной спелости. Причем у семян в восковой спелости полевая всхожесть почти по всем годам была выше, чем в полной спелости». Оппоненты заявляют нам, что влажность растений риса и сорго можно быстро понизить с помощью десикантов, и поэтому она (влажность) проблем не создает. В статье [232] «Применение десикантов» Самойленко А.Т. освещает этот вопрос. Не вдаваясь в подробности, мы выяснили из этой статьи, что, во-первых, в качестве десикантов используется хлорат магния (30 кг/га), реглон (3 л/га) и мочевина (50 кг/га), растворенные в воде (500 л/га). Во-вторых, обработку проводили в фазе # восковой спелости и в фазе начала полной спелости зерна. В-третьих, влажность снижалась через десять дней до 34,3...44,8 % от исходной величины 74...76 %. Наше мнение по поводу подсушки растений применением десикантов следующее. Все десиканты — яды, и они усваиваются растениями, иначе они не могут оказывать воздействия. Сам автор отмечает про мочевину: «прежде чем наступает ее действие, растения усваивают некоторую часть азота». Растение не засыхает в естественном процессе развития, но его отравляют. На обработку посевов десикантами требуется оборудование, затраты на отравляющее вещество (ОВ), на ГСМ, труд людей и прочее. Вывод автора о том, что все препараты несколько повышают урожайность, не согласуется с цифрами таблицы. Так что # мнение о пользе десикантов не является бесспорным. На Нарымской селекционной станции проведены исследования по влиянию влажности семян пшеницы, ячменя, овса и гороха при обмолоте на их всхожесть [117]. При чем влажность создавалась искусственно. Заведующая лабораторией селекции и семеноводства И.В. Карпович показывает, что обмолот семян 100 %-ной всхожести с влажностью 25 % наносит повреждение зародышу, в результате чего энергия прорастания снизилась до 37 % и всхожесть до 42 %. Обмолот проводится в лаборатории молотилкой со штифтовым барабаном. Обмолот комбайном пшеницы с естественной влажностью показал аналогичные результаты. Наш комментарий: молотилка «барабан-дека» обмолачивает растения в тесном 9 зазоре, жёстком зазоре; семена подвергаются значительным динамическим воздействиям.
В статьях [192, 193] (Науменко и Калашник) исследователи отмечают, что проводимое тщательное изучение в течение 4 лет влияния фазы, при которой обмолочены семена, на их всхожесть показало у зернового сорта Низкорослое 93 следующие результаты: Таблица 1.12 Всхожесть (%) в зависимости от фазы уборки Методика соблюдалась довольно тщательно и, несмотря на это, начало восковой спелости даёт большую всхожесть, чем восковая спелость. Это - всего лишь обычная ошибка опыта. Наше мнение: разница во всхожести небольшая - в абсолютных единицах 2,5 %, а в относительных единицах 2,55 %. Худолий Л.М. в своей статье [306] отмечает, в частности, что «существующие в настоящее время сорта и гибриды сорго отечественной и зарубежной селекции часто не успевают сформировать полноценное зерно и семена до наступления заморозков и дождей». Это - юг Украины, Николаевская область. В заключение раздела «Семеноводство» следует подвести итог. Коль скоро удастся создать молотильное устройство, отвечающее выше означенным требованиям, то возникает перспектива получать семена сорго и риса, обмолоченные в любой фазе спелости без их повреждений. Получение в молочно-восковой спелости высококачественных семян позволит сократить вегетационный период на 15...20 дней и обеспечить своими семенами соргосеющие районы.
Рабочий процесс обмолота
За физическую модель метёлки или растения принята длинная, упругая, прочная балка переменного сечения, закрепленная консольно (рис. 2.23.). На ее свободном конце расположена зерновка, обладающая значительной массой м по сравнению с массой балки. Объемная масса соцветия примерно в 17 раз больше, чем у соломы. Масса любого физического тела — это мера инерции, её количественное выражение. Переменное сечение балки - результат уменьшающейся толщины от места её закрепления до зерновки: ножка метёлки, ветви 1-го, 2-го, 3-го, возможны ветви 4-го порядка, плодоножка. Ветви 3-го и 4-го порядков называются ветвями высшего порядка.
Разновидность МСУ «трубные вальцы» показана на рисунке 2.24. Устройство состоит из рамы 1 с закреплёнными на ней приёмными 2 и обмолачивающими 4 парами вальцов. Обмолачивающие вальцы соединяются кинематически синхронизирующей передачей, состоящей из одной или двух пар шестерен (возможно применение цепной передачи). Приёмные и обмолачивающие вальцы имеют свои приводы. В исходном положении обмолачивающие вальцы установлены так, что выступ одного вальца находится между выступами другого. Благодаря наличию синхронизирующей передачи вальцы вращаются синхронно навстречу друг другу, и такое расположение вальцов сохраняется всегда. Устройство обмолачивающих вальцов представлено на рисунке 2.25. Рабочим органом вальца является лопасть, закрепленная на опоре 1, в приведенном примере Л — три лопасти на вальце. Лопасть имеет криволинейную в профиле форму 108 выпуклостью вперед по ходу вращения, сама лопасть наклонена назад. Профиль лопасти образован из четверти эллипса, а поскольку окружность (в плане токарного станка) проще эллипса, то эллиптическое сечение лопасти заменено двумя дугами соответствующих радиусов кривизны (рис. 2.26). Периферийная часть лопасти (рис. 2.25) называется выступом 5, который имеет большую кривизну. Выступ кроме передней, лобовой поверхности имеет небольшую заднюю или затылочную поверхность. Между собственно лопастью 2 и её выступом 5 располагается обмолачивающая кромка 4 и перед нею углубление 3: впадина, канавка 3 или щель. М Рис. 2.23 . Физическая модель метелки: 1,2, 3 - ветви 1-го, 2-го и 3-го порядков; jw-масса зерновки NOi К Рис. 2.24. Разновидность МСУ «трубные вальцы»: 1 - рама; 2 - приёмные вальцы; 3 -синхронизирующая передача и привод; 4 -обмолачивающие вальцы. 77П= И"И Между обмолачивающими вальцами имеется зазор д\. Зазор образован между описанной и вписанной окружностями профилей вальцов. Описанная окружность совпадает с делительной окружностью синхронизирующей шестерни (штрих пунктирная линия) а вписанная имеет касательной линию, соединяющую крайние точки двух лопастей вальца. На рисунке 2.25 зазор обозначен 8\. Это - молотильный зазор; при вращении вальцов он 109 перемещается между центрами вальцов на рисунке 2.24 - вверх-вниз, на рисунке 2.25 - вправо-влево. Принято допущение, что амплитуда колебаний зазора равна его величине. Вместе с молотильным зазором колеблется и поданная в него приемными вальцами метелка. Лопасти вальцов поочередно проглаживают метелку от её основания к вершине, передавая метелку от одного вальца другому. Передает метелку выступ.
Частота проглаживаний, частота колебаний молотильного зазора должна быть больше собственной частоты колебаний озернённой метелки или её озернённой части. Лопасти догоняют метёлку в ее собственных колебаниях, только при этом условии возможен обмолот. Для объяснения процесса обмолота предлагается рисунок 2.27. Крайняя точка соприкосновения лопасти с физической моделью движется под углом к балке с окружной скоростью v0, удаляясь от места её закрепления, то есть от приёмных вальцов. Лопасть постоянно надвигается на зерновку. Вследствие инертности зерновки одновременно с её перемещением по траектории ті...те происходит вращение зерновки вокруг текущей точки лопасти / на уменьшающемся радиусе 1т. Оно названо нами захлёстыванием, вращение на уменьшающемся радиусе характерно увеличением частоты вращения. Вследствие захлёстывания, в первом варианте, метелка расстилается, распластывается по лопасти (рис. 2.28); закрепленные на ней зерна в процессе воздействия лопасти на метелку прижимаются к рабочей поверхности лопасти и скользят по ней к периферии: вариант 1 (рис. 2.29). Встречая на своем пути углубление (впадину, канавку или щель), плод-зерновка западает в нее (рис. 2.29,«) и движется по траектории 1...2.. .3. Глубина канавки должна быть равна длине зерновки или несколько больше её. Далее за канавкой расположена обмолачивающая кромка. Она округлая. Ее радиус кривизны равен 1,0...0,75 мм. В отличие от радиусов кривизны лопасти (54...100 мм) и выступа (20...5 мм), предназначенных для сбережения ветвей метёлки и по превышающих критические радиусы изгиба ветвей всех порядков, назначение обмолачивающей кромки - противоположное. Её назначение - деформировать, разрушать плодоножку зерновки.
Плод-зерновка, которая при встрече с лопастью оказалась близко к обмолачивающей кромке (вариант 2), движется к ней, как показано на рис. 2.30, под большим углом к лопасти вальца в связи с захлёстыванием и западает в канавку. Запавши в углубление, (канавку, щель), зерновка поворачивается (рис. 2.29,6) на какой-то угол, скажем, л/2, и обмолачивающая кромка при своём последующем Развертка границы хлебной массы во времени: Fy - сила удержания; F0 — окружное усилие, передаваемое от двигателя к месту воздействия; Fm — сила инерции зерна; v0 — окружная скорость обмолачивающей кромки (скорость подачи опущена); ti, t2...tt - точки на оси времени Обмолот инерционно-очёсным воздействием - это тонкослойный обмолот; растения подаются в молотильный зазор толщиной в один слой. Метелка распластывается по лопасти вальца слоем толщиной 8... 10 мм. Обмолот инерционно-очёсным воздействием осуществляется в просторном зазоре 6 = 20...25 мм. Обмолот инерционно-очёсным воздействием предусматривает сохранение всех, кроме плодоножки, остальных частей растений: стеблей, листьев, ветвей метёлки всех порядков, и, конечно, зерна. Обмолот инерционно-очёсным воздействием — это очёсывание, но не такое, при котором рабочие органы - зубья, пальцы или штифты проникают вглубь хлебной массы, внедряются в неё. Это иное очёсывание: зёрна сами выступают из слоя хлебной массы (рис. 2.31) и взаимодействуют с рабочими органами. Граница хлебной массы, которая совпадает с рабочей поверхностью лопасти, на этом рисунке развернута во времени в прямую линию.
Кинематика и динамика процесса отделения зерна
На связь зерна с растением воздействует рабочий орган, который движется к ней под некоторым углом со скоростью v0. Вертикальная составляющая vB от окружной скорости может быть больше или меньше скорости колебания массы т вокруг точки е. Если вертикальная составляющая меньше или равна скорости собственных колебаний, то зерно, благодаря жесткости связи, перемещается вверх и изгиба плодоножки в этой точке не происходит. Если вертикальная составляющая окружной скорости вальцов значительно больше скорости колебаний, то зерно в силу своей инертности не перемещается в вертикальном направлении, хотя точка в\ перемещается в положение в2. Расстояние ое\ТП\ больше, чем 0Є2ГП2, поэтому центр массы переходит в положение т2. Как видно (рис. 2.10), e2rri2 меньше в}ГПи кроме того, связь повернулась на угол ejm2e2. Иными словами, масса т вращается вокруг подвижной точки е при уменьшении радиуса г=ет, то есть происходит захлестывание зерна. В момент встречи нижнего вальца со стеблем или плодоножкой растения масса тт, метелки или зерна уже имеет скорость vB (вертикальная составляющая), полученную при сходе с верхнего вальца: vB = v0 sin д. Пока будем считать, что нижний валец не вращается, то есть em = r =const. Модуль кинетического момента массы га3 относительно точки е до встречи связи с вальцом будет равен К = Z ше (тЦ = mver- (2.10) Принимая во внимание, что скорость зерна при вращении его на радиусе г вокруг точки е равна по модулю rw и направлена перпендикулярно радиусу вращения. Найдем, что модуль кинетического момента массы m относительно точки е после закрепления в ней связи будет равен Le =Z (W") = 5 где Je — есть момент инерции, причем, Je = гаг2, В этой формуле величина г (радиус) после встречи вальца с плодоножкой, ветвью метелки или стеблем быстро уменьшается, поэтому угловая скорость w увеличивается. Это явление - захлестывание - необходимое условие для обмолота зерна. Затем ребро вальца приближается к зерну и ударяет по нему (рис. 2.32). Точка А - центр удара. Здесь зерно и ребро имеют общую нормаль; точка В - центр тяжести зерна; точка С — центр сопротивления зерна.зерно отделяется при R Fo, то есть при величине силы, достаточной для отрыва зерна от плодоножки.
Сопоставляя рис. 2.32,а и рис. 232,6, отмечаем, что с увеличением угла наклона ребра к радиусу вальца растут одновременно угол изгиба є плодоножки при ударе и сила отрыва Rc. Минимальный угол наклона ребра, повидимому равен 0 (угол между продольной осью зерна и касательной к поверхности зерна в точке его крепления к плодоножке).
Увеличение толщины вымолачивающего ребра сверх значения, равного половине длины зерна равносильно отклонению ребра назад против вращения вальца. Толстые ребра недостаточно эффективны по сравнению с тонкими. Анализируя полученное уравнение, констатируем, что полновесные зерна вымолачиваются лучше щуплых, поскольку реакция связи прямо пропорциональна массе зерна тг и его моменту инерции Je и обратно пропорциональна расстоянию от центра удара А до центра сопротивления С. При этом тонкое ребро обеспечивает большую вероятность отделения зерна за один удар, нежели толстое (величина плеча в — в числителе). dco Максимальная толщина ребра равна половине длины зерна. Величина —— в числителе говорит о том, что с увеличением угловой скорости захлестывания зерна вероятность вымолота увеличивается. Процесс разрушения связи между зерном и элементами метелки состоит из двух фаз: западание зерновки в канавку и непосредственное разрушение связи между зерновкой и метелкой. Рассмотрим первую фазу (рис. 2.33). За ее начало можно условно принять тот момент, когда зерновка достигает канавки, и ее расстояние от центра вращения равно OK=p , где р - текущий радиус. Определим условие, при котором зерновка западает в канавку. На зерновку действуют следующие силы: 1) сила тяжести G3=mg; 2) реакция N направленная перпендикулярно лопасти в данной точке; 3) сила трения, направленная по касательной к лопасти в данной точке, в сторону противоположную движению зерновки и равная Fw=N tgcp, где р - угол трения; 4) центробежная сила Fn-mco р, направленная по радиусу р; 5) сила инерции Кориолиса FK = 2то) — = 2mvoma , направленная в сторону противоположную N, где v0 - относительная скорость движения зерновки по лопасти; 6) центробежная сила Рц=тсо \RK, вызванная тем, что зерновка перемещается по криволинейной поверхности лопасти. Здесь 0\K=RKJl - радиус кривизны лопасти в точке К; сд\ - угловая скорость. Поместим начало подвижных координат в точку К и примем условие, что ось X лежит на линии действия силы трения, то есть является касательной к лопасти.
Методика и приборы для определения технологических свойств риса
Изучение основных физико-механических свойств и размерно-массовых характеристик риса и сорго, связанных с процессом обмолота инерционно-очёсным молотильным аппаратом, проводилось как по литературным источникам, так и по методике, разработанной ВИСХОМ [173]. Определялся биологический урожай риса и размещение растений на поле № 1 колхоза «Россия» Харабалинского района Астраханской области. На двух чеках размером 70 130 м через каждые 25 м по диагонали чека взяты 12 проб по 0,25 м2. Чеки выбирались визуально таким образом, чтобы стеблестой и спелость зерна были средними и характерными для большинства полей. Все растения из проб распределялись на классы по длине — стебель, метёлка и по Ф диаметру - стебель в комле, ножка метёлки. Всего было замерено 470 растений. Данные обрабатывались методом вариационной статистики. Длина растения и метёлки распределялись с помощью классификатора. Диаметр растений на высоте 15 см и в месте перехода ножки метёлки в метёлку измерялся специально изготовленной вилкой (рис. 3.1). Мерительная вилка позволила в несколько раз ускорить процесс замера диаметров ножки метелки и комля стебля с одновременной разбивкой на классы. Две пластины из стали Х18Н10 размером 150 15 2 мм, сложенные под углом 15, скреплены заклёпками. С помощью штангенциркуля и свёрл диаметром от 1,0 до 10,0 мм нанесены деления. Непосредственно одним штангенциркулем нельзя разметить мерительную вилку, так как вилкой измеряется диаметр d косвенно через хорду х, которая меньше диаметра (рис. 3.2.). Во время взятия проб проводилось измерение влажности стеблей, листьев и зерна по стандартным методикам: Веденяпин [38], Доспехов [78]. Излом стеблей изучался на динамографе — приборе, изготовленном на основе ручного вибрографа ВР-1. Динамограф (рис. 3.3) состоит из таких частей: барабан 1 заводной пружины, барабан 2 ленты, трубка 3 с пружиной, шток 4, боек 5, опора 6, карандаши 7, 8, 9 записи: а) усилий, б) стрелы прогиба и в) отметчика времени; грузы 10 карандашей, тяговая нить 11, груз сцепления 12, шкив привода 13. Тяговая нить 4...5-ю витками на шкив 13, Рис. 3.3. Динамограф диаметр которого подобран с таким расчётом, чтобы шток 4 пружины перемещался со скоростью 2,0 мм/с. Груз 12 служит для сцепления нити со шкивом за счет угла Эйлера. Стебель укладывается вплотную к опорам, расстояние между которыми равно 100 мм, пружина накручивается до отказа, включается прибор. Результаты тарировки пружины сведены в приложение. Отметчик времени протарирован (приложение 7). На динамограмме № 27 обозначены: «5,3» - разность площадей фигур в см2 , 4 -максимальная величина упругой деформации в мм. По значению «5,3» находится средняя величина силы: / //=530/72=7,35=11,9 г. Работа, затраченная на деформацию, равна F/=l 1,9 г 7,35 см =87,5 г см. По диаграммам определяли: 1) среднюю и минимальную величины упругой деформации, 2) работу излома стебля. Величиной угла излома упругой максимальной деформации считается угол е между отогнутой частью стебля и ее первоначальным положением (рис. 3.4). Поскольку профиль бойка имеет некоторое влияние на деформацию изгиба, он выполнен с закруглением радиусом в 1 мм. Рис. 3.4. Стрела h прогиба стебля
Метод вибрации, применяемый при изучении деформации, дает обобщающий показатель жёсткости на изгиб - E I, представляющий собой произведение модуля пропорциональности Е на момент инерции стебля /. В деформацию входят весь стебель или его зоны. Жесткость определяется по формуле Ы = , , кг см , (3.1) где / - длина консоли стебля, подвергнутого вибрации, в см; g - ускорение силы тяжести в см/с ; g=P+(33/140) G - приведенная масса стебля; Р - масса груза на конце стебля, кг; G - масса стебля, кг; Т - период колебаний стебля в процессе вибрации, с. Комлевую часть стебля закрепляли горизонтально в зажиме без сплющивания. Листья, ветки и плоды предварительно удаляли, а на вершину стебля навешивали груз, подобранный соответственно жёсткости стебля. Груз (пластилин) дает возможность уменьшить число колебаний стеблей и этим облегчить их замер. Стебель приводили в колебание нажимом пальца, полный период колебаний замерялся секундомером. Для большей точности замеров выводили среднее из 10... 12 повторностей опыта. После замера периода колебаний стебель отрезали у кромки зажима и взвешивали. Одновременно с этим замерялась длина стебля от зажима до груза. Изучение прочности органов растений в динамических условиях более отвечает условиям работы МСУ и более точно выявляет физическое состояние растений. Динамическая прочность плодоножки определялась на маятниковом копре, который позволил изучить технологический эффект ударных нагрузок и определить энергию, затрачиваемую на разрушение плодоножки деформацией растяжения и деформацией изгиба. Методика общеизвестная [38, 78, 173, 300]. Повреждаемость риса изучалась на специально изготовленном приборе (рис. 3.5). Он состоит из основания 1, кронштейна 2, пружины 3, столика 4, фиксатора 5. Зерно кладется на столик, пружина взводится и закрепляется фиксатором, который установлен в одном из шести положений. Спущенная пружина ударяет по зерну, которое летит и вторично ударяется о стенку сборного конуса. Период колебаний пружины прибора определения повреждаемости семян замеряли вибрографом ВР-1, шток которого упирался в пружину около места ее крепления. На рисунке 3.6 волнистая верхняя линия - запись колебаний пружины (приложение 7), а нижняя линия с периодическими выступами — запись отметчика времени. Скорость удара пружины по зерну зависит от ее предварительного натяжения.
