Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор сепарирующих рабочих органов лукоуборочных машин. Цель и задачи исследования 9
1.1. Возможные принципы разделения вороха лука и схемы сепарирующих рабочих органов. 10
1.2. Классификация рабочих органов для сепарации вороха лука-севка машинной уборки 16
1.3. Выводы по разделу 32
1.4. Цель и задачи исследования 32
2. Физико-механические свойства вороха лука-севка машинной уборки ... 34
2.1. Характеристика изучаемого сорта 34
2.2. Методика проведения исследования и обработки результатов... 35
2.3. Размерно-массовая характеристика составляющих лукопочвенного вороха 36
2.4. Фрикционные свойства составляющих луко-почвенного вороха... 47
2.5. Определение коэффициента связанности вороха лука-севка 50
2.6. Выводы по разделу 52
3. Обоснование объекта исследования 54
3.1. Обоснование поисковых опытов 54
3.2. Конструкция и технологический процесс экспериментальных сепарирующих устройств ... 54
3.3. Методика обработки результатов поисковых опытов 58
3.4. Выводы по разделу 60
4. Теоретические исследования рабочего процесса разделения лукопочвенного вороха на сепараторе пальчатого типа 61
4.1. Обоснование направления теоретического исследования 61
4.2. Теоретическое исследование технологического процесса сепарирующего устройства с обоснованием его геометрических параметров 64
4.2.1. Расположение переднего барабана горки относительно заднего барабана подающего транспортера 64
4.2.2. Угол наклона пальцев горки к горизонтали 77
4.2.3. Глубина проникновения луковицы между пальцами 78
4.2.4. Координаты взаимного расположения центров заднего вала горки и вала щетки 82
4.3. Выводы по разделу 86
5. Лабораторные исследования сепарирующего устройства уборочной машины 88
5.1. Исследование оптимальных геометрических параметров сепа рирующего устройства 88
5.1.1 Методика экспериментальных исследований. Описание
экспериментальной установки 88
5.1.2. Результаты исследования по обоснованию оптимальных
геометрических параметров сепарирующего устройства. 106
5.2. Выводу по разделу 113
6. Лабораторно-полевые исследования и производственные испытания технологии уборки лука-севка машиной с сепарирующим устройством пальчатого типа 114
6.1. Цель и задачи исследований 114
6.2. Условия и методика проведения опытов. Описание экспериментальной машины 114
6.3. Методика обработки результатов исследований 120
6.4. Результаты лабораторно-полевых исследований сепарирующего устройства. 120
6.5. Производственные испытания опытного образца лукоуборочной машины 124
6.6. Выводы по разделу 127
7. Экономическая эффективность использования лукоуборочной машины с пальчатым сепаратором 128
7.1. Выводы по разделу 138
8. Общие выводы 139
Литература 141
Приложения 149
- Классификация рабочих органов для сепарации вороха лука-севка машинной уборки
- Размерно-массовая характеристика составляющих лукопочвенного вороха
- Конструкция и технологический процесс экспериментальных сепарирующих устройств
- Расположение переднего барабана горки относительно заднего барабана подающего транспортера
Классификация рабочих органов для сепарации вороха лука-севка машинной уборки
Хотя и прошло более века с момента изобретения пруткового элеватора, на большинстве отечественных и зарубежных уборочных машинах для отделения почвенных примесей от корнеплодов он остается основным рабочим органом. Большое распространение прутковый элеватор (рис. 1.7) получил благодаря простоте конструкции и возможности одновременно с сепарированиєм осуществлять транспортирование пласта вверх при угле наклона полотна до 30.
Наряду с положительными качествами прутковый элеватор имеет и существенные недостатки: наличие большого количества поверхностей трения, следствием чего является быстрое изнашивание трущихся в абразивной среде деталей и излишние затраты энергии на привод элеватора; значительная металлоемкость, вызванная тем, что рабочая (используемая для сепарирования) ветвь пруткового полотна составляет менее 40 % общей длины полотна; сравнительно низкое живое сечение (менее 70 %); залипание просветов пруткового полотна при работе на почве влажностью более 24 % и ряд других [8].
По конструкции элементов соединения полотна транспортеры делят на четыре группы: крючковые, втулочно-роликовые, втулочные и ременные.
Крючковые полотна образуются путем соединения одного прутка с другим при помощи концевых крючков. Эти полотна при изнашивании крючков полностью выходят из строя и подлежат замене. В зависимости от обрабатываемой почвы они изнашиваются при наработке 20...40 га. В настоящее время крючковые полотна практически не применяются.
Втулочно-роликовые полотна изготовляют на базе стандартных цепей с шагом 38 мм (например, в копателе ЛКГ-1,4). Долговечность их также довольно низкая. Однако, при установке в середине или в конце схемы технологического процесса машины они изнашиваются после наработки 30...60 га.
Втулочные полотна (например, в лукоуборочной машине УЛШ-2М) состоят из литых звеньев, прутковых секций и замков скобообразной формы. Преимущество этих полотен заключается в том, что в процессе работы изнашиваются лишь звенья и замки, а прутковые секции имеют незначительный износ.
Ременные полотна в качестве гибкого элеватора имеют зубчатые или гладкие прорезиненные ремни, на которых монтируют прутки. В этих полотнах отсутствуют трущиеся детали, поэтому долговечность их более высока по сравнению с полотнами других типов.
Разработка элементов теории и экспериментальные исследования процесса работы прутковых транспортеров проводились многими учеными: Н. В. Фирсовым, Н. М. Летошневым, Г. Д. Петровым, А. А. Сорокиным, С. А. Герасимовым, Н. И. Кривоговым, В. Баадером и др. [б, 8,20, 21,22].
Процесс работы пруткового транспортера заключается в том, что при транспортировании срезанного лемехом пласта вверх мелкие частицы почвы просеиваются через зазоры между прутками полотна. Для более эффективно го выделения таких частиц из слоя транспортируемой почвы рабочая ветвь полотна колеблется под действием специальных ударных звездочек или встряхивателей с приводом, не зависящим от скорости полотна транспортера.
В машинах для уборки корнеплодов и линиях послеуборочной обработки широко распространены грохоты с продольными колебаниями решет: двухрешетные и гирационные [12].
Колеблющиеся грохоты (Рис. 1.8) характеризуются кинематически оптимальной амплитудой колебаний и строго определенным по величине и направлению перемещением всех звеньев независимо от участвующих в колебаниях масс. По характеру колеблющиеся грохоты различаются; с прямолинейной, круговой и сложной траекториями движения решет. По наклону решета - горизонтальные, с положительным или отрицательным углом наклона; по расположению подвесок - с верхним, нижним и смежным расположением; по числу решет - одинарные и спаренные с последовательным или ярусным расположением решет.
В машинах для уборки лука (например, в лукоуборочных машинах ЛКГ-1,4 и ЛКП-1,8) используют спаренные колеблющиеся грохоты с последовательным расположением решет, положительным углом наклона, верхними подвесками и симметричной скоростной диаграммой.
К недостаткам такого типа грохотов следует отнести зависимость коэффициента сепарации от влажности, твердости почвы и величины подачи. К примеру, повышение подачи более 60 кг/(с-м) приводит к резкому снижению полноты сепарации [12].
Гирационные грохоты (Рис. 1.9, а) в отличие от колеблющихся не могут транспортировать материал вверх, так как их решета не имеют направленных колебаний. В связи с этим гирационные грохоты в основном применяют на стационарных линиях, а в мобильных машинах используют редко, и располагают их в конце схемы технологического процесса (например, в копателе ЛКГ-1,4). Важной особенностью гирационных грохотов является возможность их полного уравновешивания за счет установки на валу эксцентри-ков[12].
Колеблющиеся грохоты с совмещенным расположением решет (Рис. 1.9, б) благодаря направленным колебаниям способны транспортировать материал вверх и поэтому могут быть установлены в любом месте схемы технологического процесса машины.
Существенный недостаток широко распространенных двухрешетных грохотов с последовательным расположением решет состоит в том, что в них практически довольно трудно уравновесить возникающие инерционные силы нагрузки. В колеблющемся грохоте лукоуборочной машины ЛКГ-1,4 решета расположены одно за другим, в результате чего возникает знакопеременный момент сил инерции, для уравновешивания которого на удлинителях подвесок устанавливают противовесы.
Размерно-массовая характеристика составляющих лукопочвенного вороха
Основатель науки «Земледельческая механика» академик В.П. Горячкин неоднократно указывал, что при создании новых и усовершенствовании существующих технических средств первостепенное значение имеет изучение физико-механических свойств обрабатываемых материалов (почвы, стеблей, зёрен, клубней и т.д.) [5].
Академик В.А. Желиговский [37], профессора М.Н. Летошнев [6] и А.Н. Гудков [38] также указывали, что обоснование технологических схем, разработка отдельных рабочих органов и оценка качества работы сельскохозяйственной машины должны базироваться на тщательном изучении рабочей среды, свойств материалов и растений, участвующих в процессе.
Вопросам изучения физико-механических свойств лука-севка посвяще-ны работы М.В. Алексеевой [39], Т.П. Мачневой [40], Н.П. Ларюшина [41], В.И. Сизова [35] и других авторов [42,43].
Имеющиеся в литературных источниках данные не являются достаточными для решения поставленных в рассматриваемой работе задач. Поэтому при изучении физико-механических свойств компонентов вороха лука-севка уточнялись известные показатели и определялись новые, необходимые для создания работоспособной конструкции сепарирующего органа лукоубороч-ной машины.
Для выполнения поставленной в работе цели исследовались следующие физико-механические свойства: - размерно-массовая характеристика составляющих вороха лука-севка; - фрикционные свойства составляющих луко-почвенного вороха; - коэффициент связанности вороха лука-севка. В зоне Среднего Поволжья Российской Федерации выращиваются следующие сорта лука: Спасский, Скопинский, Арзамасский, Бессоновский местный, Рамадановский. Наибольшее распространение из них получил сорт Бессоновский местный. Это старинный сорт выведен в селе Бессоновка Пензенской области. Выращивается он в двух-трёх летней культуре; засухоустойчивый, скороспелый (вегетационный период - 90... 100 дней). Форма типичной луковицы округло-плоская с небольшим сбегом к шейке (индекс 0,7... 0,85), встречаются луковицы без сбега к шейке, круглые. Масса луковицы 10...35 г, окраска сухих чешуи жёлтая с коричневым или розовым оттенком. Это один из наиболее лёжких сортов, пригодный для длительного хранения и перевозки на большие расстояния. Урожайность лука-севка сорта "Бессоновский местный" в различных регионах Российской Федерации колеблется от 3,0 до 15,0 т/га, рекордные урожаи достигали 20,0 т/га [13,41, 42, 44]. Стандартный лук-севок содержит три размерные группы, определяемые диаметром луковичек: 1-ая группа - 10,1...15 мм, 2-ая группа - 15,1...22 мм, 3-я - группа - 22,1.„30 мм. Луковички диаметром меньше 10 мм - подсев, а больше 30 мм - выборок.
Исследования физико-механических свойств лука-севка проводились по методике, разработанной на основе требований ГОСТов [45...48], а также на основе методики ВИСХОМа, применяемой для изучения физико-механических свойств растений и почв [49...51] и частной методики, разработанной на основе методики испытания машин для уборки овощных и бахчевых культур. Значения исследуемых величин различны и могут быть выражены вариационным рядом. Для оценки вариационного ряда пользуются средними величинами массовых измерений. В данных исследованиях использовали общепринятые в вариационной статистике понятия и элементы, характеризующие вариационный ряд: средняя арифметическая X, среднеквадратическое отклонениє ст, коэффициент вариации v, средняя ошибка Sx и относительная ошибка выборочной средней Sx %. Каждый из названных элементов определялся по известным формулам вариационной статистики [52...55]. Это позволило определить точность экспериментальных данных и установить допустимые пределы, в которых они достаточно надежны.
Оборудование и приборы для получения числовых данных выбирались в расчете на массовое измерение с учетом допускаемых погрешностей измерений приведены в приложении 2. Качественный состав вороха лука-севка, поступающего на сепарирующий рабочий орган после sbiicciiicii теребильные: апп р тс , определяли по результатам анализа проб. Для анализа поступающего вороха на сепарирующий рабочий орган собирают с приемного транспортера уборочной машины луко-почвенную массу, убираемую в различных местах поля. Из средней пробы выделяют три пробы массой 5 кг. Масса каждой фракции вороха завешивается и вычисляется в процентном отношении к общей массе вороха. В таблице 2.1 представлена массовая характеристика состава вороха лука-севка в период уборки.
Индивидуальную массовую и размерную характеристику составляющих вороха определяли взвешиванием на весах ВТК-500 с точностью до ± 1,0 г и замерами штангенциркулем ПЩ-11-250-0,05 с точностью до ±1,0 мм. Замеры проводили одновременно с определением количества луковиц (в штуках).
Конструкция и технологический процесс экспериментальных сепарирующих устройств
Многие ученые в области земледельческой механики занимались вопросами теории сепарации. Академик В.П. Горячкин, профессора М.Н. Летош-нев, Н.Н. Колчин, Г.Д. Петров, В.А. Хвостов, Э.С. Рейнгард и др. [10, 11, 13] положили начало теории сепарации и внесли большой вклад в разработку технологических основ конструирования машин для уборки и послеуборочной обработки семян плодов различных сельскохозяйственных растений.
Основная задача сепарации - очистка вороха от растительных и почвенных примесей, причем, рабочие поверхности сепарирующих органов должны выделять до 85...90 % примесей [12].
Для технологического процесса сепарации луко-почвенного вороха машинной уборки нами предлагается устройство для отделения почвенных примесей из вороха лука-севка (рис, 4.1), которое монтируется на серийно выпускаемый копатель лука КЛН-1,4 (на элементы данной конструкции выдано положительное решение ФИПС о выдачи патента по заявке №2001100257/13 (000230), МКИ А01 D 33/08) (приложение 1), состоящее из подающего транспортера 1, разделительной горки 2, наклонных упругих пальцев 3, скребков 4, эластичных пластин 5, осадочных камер 6 и щетки 7.
Цель настоящего исследования - на основе анализа известных технических средств уборки лука и результатов изучения некоторых физико-механических свойств технологического материала выявить общие закономерности процессов, выполняемые предлагаемым сепарирующим устройством, для определения оптимальных геометрических параметров его работы.
Как отмечалось ранее, особенность состава луко-почвенной массы, поступающей с выкапьгеающих на сепарирующие рабочие органы уборочной машины, заключается в том, что размеры почвенных примесей соизмеримы с размерами луковиц, что в дальнейшем усложняет процесс разделения вороха на известных механических сепарирующих устройствах
В предлагаемой функциональной схеме сепарирующего рабочего устройства есть ряд существенных отличий от принятых за аналоги элементов известных конструкций, обусловленных тем, что процесс сепарации луко-почвенной массы включает следующие фазы: - сход вороха с подающего транспортера на поверхность горки; - взаимодействие пальцев горки с луковицами; - счесывание щеткой с поверхности пальцев вороха и его взаимодействие с поверхностью ворса щетки. Взаимное расположение трех основных частей устройства - подающего транспортера, пальчатой горки и щетки, а так же их геометрические и кинематические параметры должны в наибольшей степени обеспечивать отделение почвенных примесей из вороха лука-севка. С учетом изложенного и, исходя из конструктивных отличий разрабатываемого сепарирующего устройства, учитывающих особенности технологического процесса сепарации вороха лука-севка, поставлены следующие задачи: - определить координаты взаимного расположения заднего барабана подающего транспортера и переднего барабана горки; - установить угол наклона пальцев горки к горизонтали; - выявить глубину проникновения луковицы между пальцами; - определить координаты взаимного расположения заднего барабана горки и барабана щетки. При определении геометрических характеристик сепарирующего устройства были приняты следующие основные допущения: - уборочный агрегат движется равномерно; - рабочие органы вращаются с постоянной угловой скоростью; - скорость Do вороха в момент схода с полотна подающего транспортера равна линейной скорости итр полотна подающего транспортера. Для определения координат взаимного расположения центров барабанов рассмотрим траекторию полета слоя лука с подающего транспортера на рабочую поверхность горки с началом свободного полета луковицы в точке А (рис, 4.2) и началом оси координат хАу в точке А, которая сводится к задаче свободного движения материальной точки с начальной скоростью транспортера Drp ПОД углом к горизонту J3 и под действием силы тяжести при условии, что нижний слой вороха лука, сходящий с подающего транспортера, не должен падать на рабочую поверхность горки ниже точки Е. Следует ли учитывать сопротивление воздуха? С одной стороны есть основание полагать, что сопротивление воздуха будет весьма мало, поскольку луковицы полетят ни по одиночке, а в виде валка. При этом каждая луковица, за счет связанности вороха, будет двигаться вслед за впереди идущей. Не исключено, что поток вороха лука-севка является рыхлым, не сплошной. Поэтому сначала решим задачу в предположении, что движение луковиц определяется сопротивлением воздуха R и массой .
Расположение переднего барабана горки относительно заднего барабана подающего транспортера
Экономические расчеты подтвердили эффективность применения предлагаемой лукоуборочной машины с пальчатым сепаратором для уборки лука-севка. Эксплуатационные издержки на уборке лука-севка снизились на 23,43 руб./га, при этом, прибыль, полученная от дополнительной продукции, составляет 599,04 руб./га. Годовой экономический эффект на одну машину составил 16926 руб. Лукоуборочная машина с транспортерно-пальчатым сепаратором окупится в течение 3,05 лет.
Анализ литературных источников и практика показывают, что процесс сепарации вороха лука-севка лукоуборочными машинами (типа ЛКГ-1,4, МЛС-1,4) и существующими в единичных экземплярах экспериментальными средствами выполняется неудовлетворительно. Это объясняется тем, что размеры почвенных комков являются соизмеримыми с размерами лука-севка (при размерах 10...30 мм и массе луковиц 1,5...12,6 г). Наиболее перспективным являются сепараторы с упругими элементами, производящие разделение по комплексу признаков.
В результате изучения физико-механических свойств составляющих вороха лука-севка получены данные, необходимые для обоснования геометрических параметров предложенного сепарирующего устройства (размеры и масса лука-севка изменялись в пределах 10...30 мм и 2,75... 14.43 г при средних их значениях, соответственно, 21,6 мм и 5,12 г; средний размер и масса почвенных частиц, соизмеримых с луковицами севка, колебалось, соответственно, в пределах 2,52...36,7 мм и 1,4... 15,6 г., при средних их значениях 18,4 мм и 6,15 г; статический коэффициент трения лука-севка по резиновой поверхности составил 0,62„Д67; статический коэффициент трения почвы по той же поверхности - 0,45...0,5; коэффициент связанности при различной толщине валка изменялось в интервалах 0,06.,.0,48).
Поисковыми опытами определено принципиально новое сепарирующее устройство к машине для уборки лука-севка, включающее транспортерно-пальчатую горку со съемником щеточного типа, новизна которого подтверждена положительным решением ФИПС о выдаче патента РФ на изобретение.
Теоретическими исследованиями получены аналитические зависимости для определения взаимного расположения центров заднего вала подающего транспортера и переднего вала пальчатой горки (4.24); определены предельный угол наклона горки (аг-22...30 ) (4.25) и угол наклона пальцев относительно оси горки (уп=40...50 ) (4.27); для полного счесывания вороха щеткой с рабочей поверхности горки получено выражение для определения взаимного расположения центров заднего вала пальчатой горки и вала щетки (4.40) - h=40...50 мм; определена предельная глубина проникновения луковицы между пальцами Хви=4,49.. .7,54 см (4.41).
Лабораторные исследования, проведенные на основе использования многофакторного эксперимента, и анализ уравнения регрессии второго порядка, полученного при реализации трехфакторного эксперимента, подтвердили правильность результатов, полученных теоретическим путем, и позволили установить оптимальные параметры разрабатываемого устройства, когда количество почвенных примесей в убранном валке (v=5,6...9,7 %), обеспечивается при высоте установки центра вала щетки относительно центра заднего вала горки ІМ0...48 мм, угле наклона пальцев уп==42...47, угле наклона горки аг=22. 26
Лабораторно-полевые и производственные испытания экспериментальной лукоуборочной машины, разработанной и изготовленной по материалам исследований совместно с ОАО «Завод Белинсксельмаш», подтвердили целесообразность применения предложенного сепарирующего устройства на уборке лука-севка, а также достоверность теоретических и лабораторных исследований. Оптимальное значение полноты отделения почвенных примесей из вороха лука-севка 5,4 % получены при высоте установки центра вала щетки относительно центра заднего вала горки h=45 мм, угле наклона пальцев горки уп 44 и угле наклона горки аг=25.
Применение экспериментальной лукоуборочной машины с транспор-терно-пальчатым сепарирующим устройством позволило снизить экономические издержки на 23,43 рубУга, при этом прибыль, полученная от дополнительной продукции составляет 599,04 руб./га. Годовой экономический эффект на одну машину составил 16926 руб. Лукоуборочная машина с транс-портерно-пальчатым сепаратором окупится в течение 3,05 лет.
