Содержание к диссертации
Введение
Глава 1; Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Сря - уникальная культура в мировом земледелии 6
1.2. Классификация транспортирующих устройств, применяемых в сельскохозяйственном производстве 13
1.3. Оценка воздействия на зерно машин, применяемых для уборки и послеуборочной обработки зерновых культур 16
1.4. Влияние конструкции и технических параметров машин на повреждаемость зерна 22
1.5. Влияние влажности зерна на степень его повреждаемости при обработке 30
1.6. Влияние температуры окружающего воздуха на степень повреждаемости зерна 32
1.7. Теоретические предпосылки решения проблемы снижения повреждения зерна транспортирующими устройствами 34
1.8. Выводы и основные задачи исследования 41
Глава 2. Теоретические исследования 43
2.1. Силы, действующие на зерно, и типы его травмирования 43
2.2. Теоретические предпосылки определения прочности зерна 48
2.3. Силы соударения единичного зерна с рабочими поверхностями транспортирующих устройств 50
2.4. Исследование процесса перемещения зерна скребковым транспортером 54
2.5. Осевая нагрузка на поверхность эластичного обрамления 59
2.6. Определенно толщины эластичного обрамления 65
Глава 3. Методические основы исследования 71
3.1. Методика опэеделения степени травмирования сои 71
3.2. Методика оп зеделения прочности сои при сжатии и при соударении с различными материалами 73
3.3. Методика определения силы деформации и жесткости эластичного обрамления 76
3.4. Методика лабораторных испытаний скребков новой конструкции 80
3.5. Методика производственных испытаний 84
3.6. Математическая обработка результатов эксперимента 88
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 90
4.1. Результаты исследований сои на прочность при сжатии 90
4.2. Определение силы соударения зерна с поверхностями из различных материалов 93
4.3 Вероятность защемления зерна при его перемещении скребком и пути ее снижения 100
4.4. Определение осевой нагрузки на поверхность эластичного щеточного обрамления скребка 102
4.5. Сила деформации упругой нити при прогибе 105
4.6. Относительная жесткость щеточного элемента эластичного обрамления 109
4.7. Результаты исследований повреждений сои в лабораторных и полевых условиях 115
4.8. Производственная проверка и проведение приемочных испытаний зерновой элеваторной цепи зерноуборочного комбайна 122
Глава 5. Экономическая эффективность внедрения скребкового элеватора соезернового комбайна 125
Заключение 128
Список использованной литературы 130
Приложения 142
- Влияние конструкции и технических параметров машин на повреждаемость зерна
- Исследование процесса перемещения зерна скребковым транспортером
- Методика определения силы деформации и жесткости эластичного обрамления
- Определение осевой нагрузки на поверхность эластичного щеточного обрамления скребка
Введение к работе
Увеличение производства и сокращение дефицита растительного белка -одна из важнейших проблем растениеводства, которая во многих странах решается за счет сои. Соя - ценная сельскохозяйственная культура, не имеющая равных себе по содержанию и качеству белка, жира, фосфатидов и некоторых других питательных веществ. Зерно сои содержит 38-50,3% полноценного белка, сбалансированного по аминокислотам, 14-28% жира и более 15% углеводов. Как сырье соя получила широкое применение в пищевой, текстильной, химической и других отраслях промышленности. Отходы промышленной переработки сои используются для производства кормов.
Возделывание сои является одним из приоритетных направлений развития АПК Дальневосточного региона России. В настоящее время в Амурской области, Приморском и Хабаровском краях размещено около 85% всех ее посевов в России. Уровень механизации возделывания сои сравнительно высок. Однако применяемые технологии уборки и послеуборочной обработки сои не позволяют получать качественные зерно и семена.
Одной из главных причин снижения посевных качеств семян, их низкой полевой всхожести являются механические повреждения, которые получает зерно в процессе уборки урожая и очистки на зерноочистительных поточных линиях. Механические повреждения сои и других зерновых культур обуславливают ухудшение их товарных, посевных и продуктивных качеств, снижение валовых сборов.
Наличие большой повреждаемости зерна при уборке и послеуборочной обработке показывает, что используемые средства механизации не полностью соответствует биологическим и физико-механическим особенностям сои.
Для научного обоснования мер по снижению механического повреждения зерна при повышении уровня механизации необходимо глубоко изучить и обосновать процессы механического повреждения зерна транспортирующими
рабочими органами на стадии уборки и послеуборочной обработки. Это позволит правильно решать вопросы конструктивного совершенствования рабочих органов транспортирующих устройств, а также обеспечит выбор рациональных режимов обработки семян и товарной сои.
Основная задача данной работы - изучение факторов, влияющих на повреждение сои при взаимодействии с рабочими органами скребковых транспортеров с целью совершенствования технологии процесса перемещения зерна, внесение изменений в конструкцию рабочих органов, обеспечивающих снижение механических повреждений и повышение качества зерна при уборке комбайнами.
Влияние конструкции и технических параметров машин на повреждаемость зерна
Изучению степени воздействия рабочих органов машин на целостность зерна зерновых культур посвящены исследования многих авторов [3, 8, 10, 16, 17, 20, 22, 36, 38, 40, 44, 57, 62, 65, 67, 70, 79, 80, 90, 91, 92, 96]. По их мнению, основной причиной интенсивного повреждения зерна является высокий скоростной режим воздействия на зерно ковшей норий, витков шнеков. Так, например, повышение скорости движения норийной ленты с ковшами от 0,87 до 3,43 м/с вызывает рост количества повреждений зерна озимой пшеницы Безостая I с 0,35 до 2,9% [70]. При этом коэффициент повреждения находится в зависимости, близкой к прямой, от скорости ленты - чем выше скорость ленты, тем больше коэффициент повреждений. По данным авторов [16, 17, 19, 20] при транспортировании норией зерно повреждается примерно на 40% (от общей повреждаемости) ковшами при зачерпывании в нижней головке и на 60% при разгрузке ковшей в верхней головке нории.
Влияние частоты вращения шнека и других факторов на механическое повреждение зерна пшеницы при транспортировании шнеками изучали также Г.И. Крейерман и В.В. Лебедев [64]. По их данным, с повышением скорости вращения шнека повреждение зерна увеличивается, и тем больше, чем больше частота вращения шнека. При постоянной влажности зерна (11,9%) с увеличением числа пропусков через шнек количество поврежденных зерен увеличивается. При частоте вращения 270 об/мин уменьшение влажности с 21,9 до 11,9% вызывает рост количества повреждений зерна в 2,85 раза.
В.И. Москаленко и Н.Л. Виндижев [80] изучали влияние зазора между шнеком и кожухом на механические повреждения семян масличных культур на горизонтальном шнеке с открытым кожухом. Зазор между витком шнека и кожухом изменяли от 2 до 30 мм. При увеличении зазора повреждения семян вначале возрастают, достигая максимума при зазорах 4-Ю мм. Клещевина мало повреждается при зазорах не менее 20 мм, подсолнечник - 15 мм, арахис - 27-30 мм. При оптимальных зазорах с увеличением частоты вращения шнека повреждение семян масличных культур увеличивается.
Основной переменный фактор при эксплуатации транспортирующих устройств - их нагрузка или производительность. Исследователями установлено, что производительность нории оказывает значительное влияние на количество механических повреждений при перемещении зерна. Чем больше производительность, тем меньше дробление и повреждение зерна норией. Выявленная закономерность [31, 43, 83, 89] практически сохраняется при различной влажности зерна и разном количестве пропусков. Соответственно снижается коэффициент повреждения при увеличении нагрузки. Это объясняется тем, что с увеличением объема транспортируемого зерна уменьшается количество его контактов с рабочими органами нории. Следовательно, необходимо, чтобы нории работали с максимальной нагрузкой.
В качестве примера, показывающего влияние конструкции и режимных параметров транспортеров на степень повреждения зерна, рассмотрим конструкцию разработанного нами уборочно-транспортного средства (патент на изобретение № 2206197 «Уборочно-транспортное средство», см. приложение 4, с. 194) и применение в нем секционного цепочно-планчатого транспортера для перемещения початков кукурузы.
Уборочно-транспортное средство предназначено для уборки початков кукурузы в условиях переувлажняющихся почв, а также, при необходимости, для вывоза их на край поля для перегрузки в кузов транспортного средства.
Уборочно-транспортное средство включает самоходный кукурузоуборочный комбайн КСГ-Ф-70 (без жатки, мотовила и наклонной камеры). На него дополнительно установлены: приставка ППК-4 с системой навески в виде трех удлиненных кронштейнов крепления гидроцилиндров подъема и опускания приставки, секционный разнонаклонный цепочно-планчатый транспортер с приводом, изогнутый в виде колена под разными углами и неподвижно закрепленный на корпусе комбайна (рис. 6).
Уборочно-транспортное средство (УТС) состоит из комбайна КСГ-Ф-70 (без жатки, мотовила и наклонной камеры) 1, приставки ППК-4 2, секционного разнонаклонного цепочно-планчатого транспортера 3, изогнутого в виде колена под разными углами, системы навески приставки ППК-4 на комбайн КСГ-Ф-70. Приставка ППК-4 включает мысы 7, вальцы русле 8 , початкоотделяющие пластины 9, шнек транспортировки початков 10, битер 1L Система навески приставки ППК-4 на комбайн КСГ-Ф-70 состоит из трех удлиненных кронштейнов 4, обеспечивающей выход гидроцилиндров подъема 5. Кроме этого, УТС имеет технические устройства и механизмы приводов рабочих органов комбайна -бункера 12, режущего аппарата 13 и приставки: шнека транспортировки стеблей 14, приемного битера 15, измельчителя стеблей кукурузы 16, трубы при 25 ставки 17, разгрузочного транспортера бункера комбайна 18 и трубы силосоуборочного комбайна 19.
Исследование процесса перемещения зерна скребковым транспортером
Рабочими органами скребкового транспортера являются скребки. Перемещение зерна происходит за счет сплошного его волочения скребком по поверхности площадки или желоба, на которых имеются неровности. Конструктивное выполнение этих рабочих органов не исключает защемление зерна. У скребкового транспортера зазор появляется в результате износа эластичной об-резиненной части скребка. Кроме этого, под действием сил сопротивления перемещению сои скребок стремится отклониться от перпендикулярного положения в сторону движения тягового органа. При отклонении скребка на угол в создается условие затягивания зерна под эластичное обрезиненное обрамление скребка. Попавшее под обрамление зерно сои за счет сил трения протаскивается по днищу и в результате испытывает силу давления обрамления и вес скребка. Зерно будет разрушено, если его прочность окажется ниже суммарного уровня действия этих сил.
Силовое воздействие скребка на зерно сои можно рассмотреть с помощью рисунка 13 (а, б).
Предполагаем, что в защемленном состоянии зерно на какое-то мгновение неподвижно в зазоре относительно скребка и желоба, поэтому сумма проекции сил, действующих на зерно, на оси ОХ ,ОУ должны быть равны нулю: Fi fiNi; F2 =/2 2 -результирующие сил трения; fi; fi - фактические коэффициенты трения в местах контакта.
Подставив в равенства значение сил трения, получим: N; = N2-(cosy +f3-siny) , (2.4.2) Nj fj - N2 (-f2 cosy + siny) , (2.4.3) Умножив обе части выражения (2.4.2) на/), получим: Ni f} = Nffi (cosy +f2-siny). (2.4.4) Вычитая почленно из выражения (2.4.4) выражение (2.4.3), получим: Nyfi fcosy + fi siny) - N2 (siny -jУ cosy) = 0 . (2.4.5) Сократив на N2 и разделив на cos у, будем иметь: fi + frf2 tgr +fi- tgr =0. (2.4.6) После некоторых преобразований окончательно получим: tgr T r (2-4.7) Предельные значения коэффициентов трения f и /з зерна по стали равны коэффициенту трения скольжения fc, поэтому в первом приближении можно определить величину угла у , при котором произойдет защемление зерна. Для этого достаточно выполнения неравенства: 8Г j j-, (2А8) J с или Г s fi fi - (2.4.9) При у _/} + 2 происходит выскальзывание зерна, защемление и разрушение его становится невозможным. Таким образом, в соответствии с проведенным теоретическим анализом можно считать, что естественное затягивание зерна в зазор между скребком и желобом будет осуществимо в том случае, когда /} tg у . Вероятность защемления зерна сои в скребковом транспортере с учетом постоянной величины зазора между скребком и желобом зависит от величины зазора и размерной характеристики сои. Принимаем, что все три размера семени сои - длина А, толщина С и ширина В - являются случайными величинами с нормальным распределением, тогда для любого размера (Л В или С) получаем:
ЛО-- - 2 , (2-410)
где т и о - среднее значение размера и среднеквадратическое его отклонение, определяемые из результатов математической обработки замеров длины, толщины и ширины зерна сои.
Плотности вероятности соответствует следующая функция распределения:
Ф(і,т,сг2)= ji di (2.4.11)
Вероятность защемления в интервале размеров от л до І2 определяется соотношением:
Р{1 1 12) = Ф(22) Ф{2]) , (2.4.12)
где zl ;z2 = - нормированные аргументы функции Лапласа. Зависимость (2.4.12) позволяет определить вероятность защемления и механического повреждения семян сои скребковым транспортером по их длине, толщине и ширине в зависимости от величины зазора Z между кромкой скребка и днищем желоба.
Проведенный анализ процесса защемления зерна скребком показывает, что активным травмирующим элементом является кромка скребка. Учитывая то, что скребок транспортера перемещает порцию зерна, между кромкой скребка и желобом могут защемляться и соответственно повреждаться много зерен. Для дальнейших исследований необходимо определить производительность повреждения сои транспортером. Пользуясь известной формулой производительности транспортера, выразим производительность механического повреждения сои скребковым транспортером:
Методика определения силы деформации и жесткости эластичного обрамления
Определение силы деформации упругой капроновой нити проводилось методом фотографирования геометрии нити, изогнутой под действием груза G (рис. 23).
Для снятия параметров кривизны нити использовалась координатная бумага (миллиметровка). При проведении эксперимента соблюдались следующие условия. Плоскость расположения координатной бумаги была параллельна плоскости изгиба нити. Капроновая нить, на которую подвешивался груз, была разбита на участки (точки) для снятия координат по оси X и по оси У (рис.23). Нить в положении 01 находится в состоянии покоя. Действие груза G уравновешивается силой Ра, направленной в обратном направлении. По абсолютной величине эти силы равны и направлены в противоположном направлении:
g - ускорение свободного падения тела, м/с .
Условно отбросим связь между нитью и грузом. Тогда нить из положения 01 под действием двух сил Рн и Р р будет одновременно подниматься вверх в сторону, противоположную действию груза, выпрямляться от кривизны и стремиться занять первоначальное положение 01о.
Сила Рн является нормальной реакцией величины упругой деформации нити, которая возникает при ее изгибе, и направлена перпендикулярно касательной, проведенной к линии изгиба в точке 1. Для построения касательной необходимо графически найти радиус кривизны р линии 01, а перпендикуляр, проведенный к этому радиусу в точке 1, дает касательную т . Силы Рн и Р р являются составляющими силы Ра и соответственно находятся: где ctG угол между вектором силы Ра и перпендикуляром к касательной т (определяется из построения). Для сопоставления теоретических значений с экспериментальными сделаны дополнительные построения (рис. 23). Из точки 0 , лежащей на продолжении исходного положения нити 01о через точку 1 построим дугу АВ радиусом гк . Эта дуга будет имитировать поверхность желоба с радиусом rK . Дуга АВ разделит линию 010 на два отрезка ОС = t и C\Q=U , где і есть величина зазора между скребком и желобом, а и - величина напуска. В сумме эти отрезки дадут свободную длину нити: = + и . (3.3.4) По отношению к поверхности желоба скорость точки 1 при движении с угловой скоростью & о будет направлена по касательной к дуге АВ. Угол между этой касательной и направлением силы Р1{ составит угол aN, который определится из следующего выражения: aN =aG-alb (3.3.5) где ах - угловая координата точки I: щ — arc sin — . (3.3.6) Величина у і определяется путем непосредственного отсчета по координатной бумаге. Опыты по определению силы деформации упругой нити проводились на капроновых нитях диаметром 0,24; 0,30; 0,40 мм. Длина исследуемых нитей варьировала от 10 до 25 мм с интервалом в 5 мм. Повторность каждого эксперимента трехкратная. При определении относительной жесткости щеточного обрамления использовалось уравнение [106], определяющее координату прогиба конечной точки упругого стержня длиной і (рис. 24): где у\ - величина прогиба стержня по направлению действия силы Р, мм ; - свободная длина стержня, мм; Е(к), Е(фй) - эллиптические параметры интеграла Лежандра второго рода (определяются по таблицам П.2.1.2, П.2.1.3 и масштабного графика приложения 2). Рис. 24. К определению жесткости эластичного обрамления После соответствующих преобразований равенства (3.3.7) получается выражение, по которому определялось значение относительной жесткости:
(3.3.8) Для определения относительной жесткости замерялась величина прогиба пучка щетки у і под воздействием силы Р. Величина силы Р была в пределах величины объемной массы зерна сои, остающейся в желобе скребкового транспортера при ширине скребка В = 250 мм и шаге установки скребков в цепи, равном 228 мм. Установленная толщина обрамления проверялась на величину фактического изгиба обрамления с помощью мерного стеклянного цилиндра.
Внутрь мерного стеклянного цилиндра помещался цилиндрический шток с эластичным щеточным обрамлением наружной кромки. Затем цилиндр заполнялся зерном до тех пор, пока не отмечалась величина прогиба, равная 1,5 мм. Объем зерна внутри мерного цилиндра взвешивался и определялась фактическая сила давления со стороны зерна.
Для получения математической модели влияния свободной длины нитей , толщины обрамления t и диаметра нитей dH был составлен по методу мно-гофакторного планирования двухуровневый план эксперимента типа 2 . Уровни и интервалы варьирования параметров приводятся в приложении.
Определение осевой нагрузки на поверхность эластичного щеточного обрамления скребка
Теоретическими исследованиями установлено, что осевая нагрузка (давление) на эластичное щеточное обрамление в скребковом транспортере зависит от конструктивных параметров транспортера, конструкции скребка, угла подъема транспортируемого зерна, скорости перемещения зерна, коэффициента заполнения, физико-механических свойств зерна и материала скребка.
В результате решения уравнений (2.5.15, 2.5.16) установлено, что увеличение скорости перемещения зерна сои зерновым элеватором комбайна с 0,5 до 2 м/с увеличивает величину осевого давления в 4 раза, а увеличение его угла подъема от 0 до 40 приводит к увеличению силы давления зерна сои на обрамление в 3,5 раза (рис. 40).
Основные размеры скребков выбирают в зависимости от рода груза и его свойств, производительности транспортера и направления транспортирования. Согласно ГОСТ 1\ 16-64 для сельскохозяйственных грузов применяются скребки с размерами - ширина В = 120-150 мм и для крупносемянных культур 280-300 мм. Высоту скребка при этом принимают по соотношению h = В / к , где к = 2-=-4 (большее значение берут для сыпучих материалов): чем больше сопротивление перемещению, тем меньшую высоту скребка следует сделать. Однако при низком скребке возможно пересыпание груза через его верхнюю кромку, что приводит к снижению производительности и дополнительной затрате энергии.
Решение уравнений (2.5.16) показывает, что при увеличении ширины скребка В от 200 до 300 мм и высоты h от 100 до 150 мм осевое давление зерна сои на обрамление нижней кромки скребка увеличивается в 7 раз, а с увеличением угла подъема зерна сои, при этих же параметрах скребка, осевое давлениє зерна сои на обрамление нижней кромки скребка увеличивается в 3 раза (рис. 41).
Практические исследования показали, что общее давление переменного объема зерна сои, нормально опирающегося на щеточный элемент, возрастает с увеличением высоты скребка, однако сила давления зерна сои на единичную нить остается неизменной, так как с увеличением этих параметров увеличивается количество нитей нижней кромки скребка.
Результаты проведенных опытов показали, что давление зерна сои на щеточный элемент скребка возрастает в 1,2 раза с увеличением высоты скребка от 100 до 130 мм при неизменной ширине 160 мм и составляет: для скребка новой конструкции 0,0207-0,251 Н/мм при dH = 0,4 мм и 0,0124-0,015 Н/мм при dH = 0,24 мм или 0,00103-0,0013 Н/мм при d„ = 0,4 мм и 0,00062-0,00075 Н/мм при dH = 0,24 мм. Для скребка базовой конструкции осевая нагрузка на щеточный элемент несколько ниже (табл. 11).
Скорость перемещения скребковой цепи транспортеров находится в пределах 0,5-2 м/с. Ее влияние на силу нормального давления, приходящуюся на единичный щеточный элемент или параметр ее длины практически не заметно в период установившегося движения. Однако в самый начальный момент при захвате груза сила давления возрастает в 2-3 раза.Для определения критической величины силы деформации упругой нити существует несколько методов. Наиболее простой метод заключается в том, что капроновую нить или набор нитей из нескольких единиц закрепляют в виде консольной балки, нагружают и фиксируют величину приложенной нагрузки, расстояние ее приложения и величину отклонения нити от поверхности соприкосновения. Задаваясь критической величиной отклонения нити от поверхности соприкосновения, определяем критическую величину силы деформации упругой нити. Нагружая нить и задаваясь критической величиной z 1,5 мм, определяем величину отклонения нити по оси У при разной длине (рис. 42).
