Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы, анализ теории и практика уборки льна-долгунца и постановка цели и задач исследования 14
1.1 .Анализ состояния уборки льна-долгунца 14
1.2 Анализ технологического и технического оснащения производства семян льна-долгунца 21
1.2.1 Оценка очесывающих аппаратов льноуборочных машин 21
1.2.2 Анализ существующих способов сепарации и сушки льново-роха 27
1.3 Анализ технологического и технического оснащения подъема льнотресты 40
1.3.1 Способы подъема влажной льнотресты 40
1.3.2 Анализ способов естественной сушки льнотресты 46
1.3.3 Обзор исследований сушки сено-соломистых материалов и льна 52
1.4 Цель и задачи исследования 57
2. Теоретические исследования процесса сепарации льновороха 59
2.1 Теоретические исследования процесса разделения льновороха роторным сепаратором 59
2.1.1 Математическая модель процесса сепарации и очеса льняного вороха 59
2.1.2 Теоретическое обоснование процесса сепарации в активной зоне центробежного сепаратора 69
2.1.3 Теоретическое обоснование процесса сепарации в переходной пассивной зоне центробежного сепаратора 77
2.2 Теоретическое обоснование сепарации мелкого льновороха на цилиндрическом решете с наружной рабочей поверхностью 86
2.2.1 Захват льновороха цилиндрическим решетом 87
2.2.2 Условия прохождения частицы льновороха в ячейку цилиндрического решета 89
2.2.3 Определение положения лотка соломистых примесей 90
2.2.4 Перемещение частиц льновороха поверхностью цилиндрического решета 94
2.2.5 Условия выделения из вороха соломистых примесей 103
3. Разработка и теоретические исследования подборщика лент льна с конусообразователем 114
3.1 Обоснование выбора схемы и рабочих органов конусообразователя подборщика льна 114
3.2 Обоснование принятой схемы и рабочих органов подборщика лент льна 125
3.3 Теоретические исследования процесса естественной сушки и увлажнения конуса увеличенной массы 127
3.3.1 Исследование процесса сушки конуса льна 128
3.3.2 Определение коэффициентов влагопроводности по экспериментальным данным 133
3.3.3 Динамика сушки льноконусов в естественных условиях 140
3.3.4 Оценка диаметра льноконусов при их естественной сушке... 144
4. Программа и методика экспериментальных исследований технических средств для разделения вороха и подъема льнотресты 148
4.1 Программа экспериментальных исследований 148
4.2 Экспериментальное оборудование, приборы и аппаратура 149
4.3 Методика экспериментальных исследований 156
4.3.1 Выделение наиболее значимых факторов, влияющих на процесс разделения вороха 156
4.3.2 Методика исследований роторного сепаратора 160
4.3.3 Методика исследований сборного бункера и пневмотранспортера мелкого льновороха 163
4.3.4 Методика исследования сепаратора мелкого льновороха 165
4.3.4.1 Определение фракционного состава мелкого льняного вороха 165
4.3.4.2 Методика определения аэродинамических свойств мелкого льновороха 167
4.3.4.3 Исследование процесса сепарации мелкого льновороха 168
4.3.5 Методика исследования конусообразователя 172
4.3.5.1 Условия и методика проведения полевых опытов 176
4.3.5.2 Методика исследования естественной сушки льнотресты 176
5. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 182
5.1. Результаты исследований роторного сепаратора льнокомбайна 182
5.2. Влияние условий работы сепаратора на технологический процесс. 187
5.3 Результаты исследований пневмотранспортера и сборного бункера 194
5.4 Анализ влияния режимов и параметров цилиндрического решета на сепарацию льновороха 202
5.4.1 Анализ влияния технологических параметров цилиндрического решета на процесс сепарации 203
5.4.2 Анализ влияния свойств льновороха на сепарацию цилиндрическим решетом 212
5.4.3 Влияние подачи льновороха на предварительную сепарацию цилиндрическим решетом 215
5.5 Анализ влияния угла наклона и колебаний подающего лотка на выделение свободных семян из льновороха 219
5.6 Анализ влияния параметров льновороха на выделение свободных семян льна на подающем лотке 221
5.7 Влияние угла наклона подающего лотка на работу цилиндрического решета 225
5.8 Анализ влияния сепарации льновороха на качество семян 225
5.9 Результаты исследований процесса естественной сушки конусов различной массы, плотности и ленты льна 228
5.10 Анализ результатов определения коэффициента влагопроводности при переменных внешних факторах 241
5.11 Анализ результатов определения коэффициента влагопроводности при постоянных внешних факторах 243
5.12 Анализ процесса формирования и установки конуса конусообразователями различных типов 246
6. Реализация результатов исследований и их технико-экономическая эффективность 255
6.1 Результаты полевых испытаний льноуборочного комбайна с роторным сепаратором вороха 255
6.2 Производственные испытания установки для сепарации мелкого вороха в условиях стационара 260
6.3 Результаты хозяйственных испытаний подборщика льна, формирующего и устанавливающего конуса увеличенной массы 264
6.4 Экономическая эффективность внедрения результатов исследования 270
Основные выводы и рекомендации 279
Список использованных источников 283
Приложения 305
- Анализ существующих способов сепарации и сушки льново-роха
- Теоретическое обоснование процесса сепарации в переходной пассивной зоне центробежного сепаратора
- Определение коэффициентов влагопроводности по экспериментальным данным
- Влияние подачи льновороха на предварительную сепарацию цилиндрическим решетом
Введение к работе
Льноводство является одной из важнейших отраслей сельского хозяйства. Дает два равноценных вида продукции - волокно и семена.
Стебли льна содержат 20...30% волокна и являются основным источником волокнистого сырья для изготовления экологически чистых антисептических тканей, одежды, технических изделий. Потребность текстильной промышленности в льняном волокне постоянно растет, потому что многие изделия из него полностью не могут быть заменены изделиями из химических волокон.
Семена льна-долгунца содержат 30...40% высококачественного масла. Оно широко применяется и практически незаменимо в пищевой, медицинской, лакокрасочной, парфюмерной и фармацевтической промышленности.
Основная ценность льна заключается в том, что практически все части зрелого растения могут использоваться как сырье для различных отраслей промышленности.
Льноводство позволяет решать и социальные вопросы региона. Создание только одного рабочего места (дополнительно) на выращивании льна тянет за собой цепочку из 16 рабочих мест по переработке продукции в городе [75].
Одной из важнейших задач, стоящих перед производителями сельскохозяйственной продукции в области льноводства, является увеличение выпуска и улучшение качества льнопродукции. Современное состояние данной отрасли не полностью отвечает возрастающим потребностям народного хозяйства в льносырье. Урожайность льноволокна и семян растет медленно, а в ряде случаев имеет место тенденция к снижению. В структуре продукции, которую производит сельское хозяйство, лен в ряде областей становится все менее выгодным. Посевные площади, занятые льном, за последние годы в ряде регионов резко уменьшились. Затраты труда на возделывание, уборку и реализацию продукции с 1 га льна в настоящее время в 5...6 раз выше, чем при производстве зерна, часто превышают они и на производстве картофеля. Причем до 80% об-
8 щих трудовых затрат приходится на уборку урожая льна и его реализацию. На заготовку 1 ц льнотресты затрачивается в среднем 3,6 чел.-ч., в отдельных случаях этот показатель достигает 4,2...4,5 чел.-ч. Это самые высокие затраты труда в растениеводстве. Достаточно большие затраты материально-энергетических ресурсов и в производстве льна: в расчете на 1 га расход топлива составляет порядка 220 кг, электроэнергии - 216 кВт-ч, металла -594 кг. Сушка и переработка льняного вороха наиболее энергоемкая операция из технологии уборки. На самой современной и экономичной карусельной сушилке СКМ-1 (в составе комплекса оборудования КСП-0,9 для обработки льновороха) требуется более 160 кг/га условного топлива, так как дополнительно вынужденной сушке подвергается значительная масса посторонних включений [135].
Высокие трудо- и энергозатраты отрасли приводят к задержке уборки урожая и поздней реализации льнопродукции, к росту потерь и снижению качества семян и тресты. В среднем потери составляют третью часть выращенного урожая льноволокна и до 50% льносемян.
Одним из факторов дальнейшего развития льноводства является совершенствование производства высококачественных семян с меньшими энергозатратами.
Известные недостатки уборки льна-долгунца комбайновым способом определяют необходимость изыскания наиболее эффективной технологической схемы льноуборочного комбайна с принципиально новыми рабочими органами.
Разработка малозатратной технологии уборки льна-долгунца для получения конкурентно способной продукции является актуальной задачей.
Одной из причин качественных и количественных потерь льнопродукции является низкий уровень механизации уборочных работ. Способ уборки соломы и тресты льна пока остается трудоемким. Машины, выпускаемые промышленностью, заменяют ручной труд только на отдельных операциях. В основном убирают льнопродукцию с поля вручную [78].
В условиях рыночных отношений и многоукладности экономики льноводство является одной из самых рентабельных отраслей растениеводства Северо-Запада.
В большинстве регионов России используется комбайновая технология уборки. Она предполагает теребление и очес льна-долгунца комбайнами с расстилом стеблей в ленту и получением вороха, который далее поступает на стационарные пункты переработки. Одним из отрицательных критериев оценки работы льноуборочного агрегата является повышенное содержание путанины в ворохе. При уборке в фазе ранней желтой спелости льноворох содержит до 60% путанины, влажность которой достигает 80% при влажности коробочек 30%. Это приводит к повышенному расходу топлива на сушку, увеличению сроков уборки и снижению качества семян. На сушку льновороха расходуется 60% топлива от всего объема на уборочные работы. В последние годы доля вы-сокозасоренного вороха увеличивается из-за уменьшения проводимых хозяйствами мероприятий по борьбе с сорняками из-за дороговизны химикатов и использования некачественного и засоренного сорняками посевного материала. Поэтому к первоочередным вопросам совершенствования технологий уборки льна следует отнести разработку и совершенствование машин, снижающих количество примесей повышенной влажности в составе льняного вороха. Вопрос об уменьшении крупных примесей в льноворохе решался двумя путями: это совершенствование процесса очеса стеблей льна-долгунца и сепарация вороха после очеса.
Очесывающие аппараты принципиально нового типа, способные снизить отход путанины в ворох, в настоящее время не получившие широкого распространения, применяются в некоторых машинах при раздельном способе уборки. Производить уборку льна раздельным способом в Северо-Западном регионе не позволяют погодные условия
Известные способы сепарации стационарными и мобильными устройствами имеют ряд недостатков: повышенные потери семян (до 30%), установка
10 дополнительного оборудования, низкая эксплуатационная надежность. В обоих случаях рабочие органы сепараторов изготовлены на основе клавишных соломотрясов, к недостаткам работы которых следует отнести большие потери семян с путанинои и нарушение технологического процесса при повышении влажности и подачи льновороха. Поэтому повышение эффективности отделения путанины от семян и семенных коробочек льна-долгунца новым сепарирующим рабочим органом является актуальной задачей.
Анализ основных сепарирующих органов применяемых на материалах подобных льняному вороху показал, что наиболее эффективными являются роторные устройства. Вопросы теории движения и сепарации вороха в устройствах роторного типа рассматривались в основном применительно к зерновому вороху, что дает несколько неадекватное описание процесса сепарации льняного вороха роторным сепаратором.
Выделение наиболее влажной фракции - путанины и стеблей сорняков придает вороху сыпучесть, уменьшает массу льновороха до 50%. Это в свою очередь позволяет перед сушкой производить фракционирование вороха - выделение свободных семян, наиболее зрелых и имеющих высокие посевные качества, выделение коробочек и примесей.
В этом случае возможно разработать компактное, сравнительно недорогое сушильное оборудование, которое может быть использовано на сельскохозяйственных предприятиях с различными посевными площадями льна-долгунца, в том числе крестьянских, фермерских хозяйствах.
Определенный интерес представляет уборка льнотресты в крупногабаритные паковки (рулоны). Одним из сдерживающих факторов распространения этого способа уборки является ограничение на сырье по влажности (не выше 23%). Производить подъем льнотресты непосредственно из ленты рулонным пресс-подборщиком на протяжении всего срока уборки практически невозможно, ввиду сложностей с доводкой сырья в ленте до кондиционного значения по влажности. Подбор тресты из лент с постановкой вручную в конусы для
сушки в поле, затем укладка в ленты и подбор с формированием в рулоны требуют значительного количества ручного труда [212].
Применение активного вентилирования для сушки льнотресты в снопах и рулонах в больших размерах применять затруднительно из-за использования специального сушильного оборудования, повышенного расхода энергии.
Учитывая данные обстоятельства, необходима разработка специального подборщика, совмещающего операции подъема ленты льна с постановкой его в конусы или бабки увеличенной массы. Применение такого подборщика при уборке позволит существенно снизить затраты ручного труда и сохранить качество льносырья. Однако для разработки указанного подборщика необходимо определить параметры конуса увеличенной массы, при которых возможна естественная сушка.
Поэтому, чтобы сохранить выращенный урожай льна-долгунца, обеспечить реальное снижение энерго- и трудозатрат необходимо совершенствование технологии уборки. Решение этой проблемы имеет большое научное и практическое значение.
Работа является результатом исследований и реализованных разработок автора, составляющих основу диссертации, выполненных в течение почти двадцати предшествующих лет и обобщает исследования, проведенные аспирантами Великолукской ГСХА под руководством автора и его непосредственным участием.
На разных стадиях выполнения работы, разработки и испытаний образцов машин и рабочих органов принимали участие Гуляев Д.В., Жуков А.А., Максимов К.В., Морозов В.В. (Великолукская ГСХА); Малышкин В.Ю., Воз-женников В.В., Петухов Б.С., Володько Н.В. (Северо-Западный НИИМЭСХ). Всем им автор выражает искреннюю благодарность и признательность.
Научные положения, выносимые на защиту:
- математические модели рациональных режимов и параметров рабочих органов:
- процесса разделения роторным сепаратором;
- процесса естественной сушки конуса льнотресты, позволяющая
определить оптимальное время сушки с учетом вероятностного характера
повторных осадков;
- движения льновороха по поверхности вращающегося цилиндри
ческого решета;
— математические модели качественных показателей сепарации
льновороха: потерь семян льна, степени выделения соломистых примесей
и степени выделения свободных семян льна.
- аналитические зависимости по обоснованию конструктивно-
режимных параметров машин и рабочих органов, реализующих указанные
процессы, а также новые технические и технологические решения, позволяю
щие повысить эффективность уборки льна-долгунца;
- технологическая схема разделения вороха на фракции;
Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой 0.СХ.21 Госагропрома СССР на 1986 - 1990 гг. (раздел 03030411); договора №98-20 с Администрацией Псковской области «Разработка энергосберегающей технологии и технических средств, обеспечивающих эффективное получение льнопродукции в условиях Северо-Западной зоны РФ»; научно-технической программой приоритетных фундаментальных и прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Северо-Запада Российской Федерации на 2001 - 2005 гг. - тема 6 «Разработать технологические процессы, технические средства, прогрессивные методы организации, использования и ремонта техники для производства сельскохозяйственной продукции и физико-математические проблемы прикладной механики и оптимального управления».
Тема диссертации утверждена Ученым советом ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» и соответствует тематическим планам академии.
Результаты выполненной научно-исследовательской работы доведены до стадии, пригодной для широкого практического применения.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Великолукского СХИ (1989 - 1990 гг.) и Великолукской ГСХА (2001 - 2004 гг.), Смоленского СХИ (2001 г.), на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (2002 - 2003 гг.), на Псковской областной экологической конференции Великолукской ГСХА (2002 г.), на межвузовской научно-практической конференции в Костромской ГСХА (2003 - 2004 гг.), на научной конференции в Вологодской ГМХА (2003 г.), Брянской ГСХА (2003 г.).
Всего по теме диссертации опубликовано 32 научные работы.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту работы доктору технических наук, профессору, ректору ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА» В.В. Морозову за ценные указания в постановке и решении проблемы снижения потерь урожая льна-долгунца и энергосбережения.
Анализ существующих способов сепарации и сушки льново-роха
Свежеубранный ворох, особенно в начальный период уборки, имеет очень высокую биологическую активность и способность к самовозгоранию. Снижаются посевные и товарные качества семян, поэтому сразу после доставки с поля ворох сушат на специальных пунктах способом принудительного вентилирования подогретым воздухом. Насыпь льновороха толщиной от 0,5 до 2 м, располагают на неподвижной или движущейся решетке, сквозь которую подается подогретый воздух. В хозяйствах применяются типовые и сушилки собственной конструкции. Их различия, в основном, состоят в конструкции воздухораспределительных систем и средств механизации загрузки и выгрузки вороха.
Основным недостатком сушки льновороха в толстом слое является значительная неравномерность его влажности по высоте слоя. Среднему значению влажности слоя вороха в пределах зоны сушки соответствует влажность на уровне 2/3 его высоты, ниже которого ворох пересушен, а выше - недосушен. При переработке его из верхних слоев имеют место потери семян от недомолота, из нижних - от дробления. Травмированные семена, но сохранившие форму, теряют всхожесть, дробленые идут в отходы.
Получение качественных семян после сушки переувлажненного, с высоким содержанием путанины льняного вороха затруднительно. Сушка льновороха требует строгого выполнения температурных режимов, элементарное отклонение от которых, как и самосогревание льновороха, приводит к снижению посевных качеств семян. Выбор температурного режима определяется влажностью, фазой уборки и продолжительностью температурного воздействия. Наи 28 более совершенные загрузочные устройства сушилок не дают равномерной подачи и идеального перемешивания вороха при его разгрузке на сушку [92, 93].
Высококачественные семена можно получить из вороха однородного по составу и влажности.
Комбайновый способ уборки требует создания соответствующей материально-технической базы, которая обеспечила бы сушку и переработку всего убранного за день вороха, т.е. высокопроизводительное и энергоемкое сушильное оборудование.
Наиболее энергоемкий процесс во всем цикле производства льна - сушка льновороха (более половины расхода горючего). Одним из источников сокращения энергозатрат на производстве льносырья и повышения эффективности сушки льновороха является механическое удаление из него наиболее влажный фракции - путанины и сорняков (балласт при сушке, имеющей влажность до 80%) [69, 70, 71].
Установлено, что при сушке вороха с начальной влажностью 55% с пу-таниной, влажность которой 80%, необходимо удалить из него влаги в 1,33 раза больше, чем при сушке того же вороха, но после удаления из него 30% путанины, а при удалении 60% путанины - в 7,7 раза. Если принять, что расход топлива пропорционален количеству удаляемой при сушке влаги, то во столько же раз этот расход можно снизить за счет механического удаления путанины [16].
В работах Е.М. Зимина, А.Б. Батчаева приводятся данные о том, что при содержании в ворохе более 30% примесей, они аккумулируют более половины влаги [8, 67].
Одновременная сушка продуктивной и балластной частей льновороха в сушилке приводит к нерациональному расходу теплоты на удаление влаги из примесей, которые не находят практического применения. При этом потребление сушилкой топлива возрастает до 60...66% от всего расхода на уборочные работы. Увеличивается время сушки льновороха. Это приводит к снижению производительности сушильного оборудования и сдерживанию темпов ком 29 байновой уборки льна. В результате происходят простои льноуборочной техники и потери семян льна в поле от осыпания [7, 16, 155].
Помимо перерасхода топлива, высокое содержание путанины и примесей в льноворохе увеличивает занимаемый им объем, поэтому оборудование для сушки вороха имеет значительные габариты, высокую металлоемкость и стоимость, что делает затруднительным его приобретение и эксплуатацию сельскохозяйственными предприятиями, особенно с небольшими посевными площадями льна, включая крестьянские и фермерские хозяйства.
Из-за сложностей с переработкой вороха и отсутствия оборудования доля крестьянских и фермерских хозяйств занимающихся возделыванием льна, в Псковской области составляет лишь 0,36% (см. приложение 1).
В последнее десятилетие в хозяйствах не производилось обновление существующего парка сушильного оборудования. Имеющаяся техника либо вышла из строя, либо практически выработала свой ресурс. В целом по Псковской области обеспеченность пунктами переработки льновороха составляет лишь 30 - 50% [61]. Например, в Великолукском районе из 10 хозяйств, возделывающих лен, только в одном функционирует промышленно изготовленная сушилка СКМ-1. Остальные хозяйства используют самодельные устройства напольного типа либо не имеют сушилок вообще.
При отсутствии сушильной техники льноворох выбрасывается вместе с остающимися в нем коробочками. В результате этого теряется до трети от полученного урожая семян льна [16]. Там, где сушильное оборудование сохранилось, при существующих ценах на топливо и объемах его потребления переработка льновороха затруднительна по экономическим причинам.
Для снижения издержек хозяйства вынуждены уменьшать посевные площади либо вообще отказываться от возделывания льна-долгунца.
Уменьшить объем льновороха и снизить расход топлива можно, удалив из вороха до сушки путанину и примеси, которые содержат большую часть влаги. Как указывает В.И. Зеленко, при этом более рационально используется пространство сушильной камеры. В ней размещается большее количество льново-роха (с 6,3 га против 4,6 га) или загружается в два раза больше семенных коробочек после удаления путанины. Это увеличивает производительность сушилки на 86%, снижает удельный расход топлива. Продолжительность сушки уменьшается на 8,5 часа. В итоге стоимость сушки одной тонны материала снижается на 30% [15, 65, 94].
В начальный период внедрения комбайновой технологии, когда пункты сушки вороха только начинали строить, многие хозяйства обмолачивали сырой ворох, полученный при уборке спелого льна, зерноуборочными комбайнами. Так обрабатывают сырой ворох в некоторых хозяйствах, где работы льноуборочных комбайнов сдерживаются недостаточной производительностью пунктов сушки.
В этом случае сепарация влажного вороха позволяет за счет сокращения сроков уборки уменьшить потери высококачественных семян в поле от осыпания и создать благоприятные условия для проведения вылежки льнотресты. Получить дополнительных доход от повышения качества волокнистой продукции, что частично или полностью компенсирует убытки от потерь семян с путаниной. Этот прием позволяет предприятию уменьшить расход топлива на сушку вороха с 1 га на 150...200 кг, сократить период уборки на две недели и на 11% потери семян от осыпания. Потери семян с путаниной составляют 16...24% [199, 200].
Теоретическое обоснование процесса сепарации в переходной пассивной зоне центробежного сепаратора
В льноводстве издавна применяется поэтапный способ подъема, сушки, паковки и уборки льнотресты с поля. Сущность этого способа заключается в том, что после того, как льнотреста вылежится, ее необходимо срочно поднять со стлища, во избежание снижения качества. Это особенно важно, когда выпадают затяжные дожди и возможна перележка тресты.
Подъем и установка льнотресты в конусы позволяет увеличить интенсивность сушки, прекратить процесс вылежки, а это значит сохранить качество сырья. Существенный недостаток конусов ручной установки, массой 1...2 кг, неудовлетворительная устойчивость. Под действием ветровой нагрузки происходит нарушение формы и падение конуса. В этом случае ухудшаются условия для сушки, и при повторных осадках происходит значительное увлажнение, что приводит к загниванию стеблей. Во время сушки их периодически нужно оправлять, что требует дополнительных трудозатрат, привлечения дополнительной рабочей силы, но в этой период уборки хозяйства испытывают в этом острый недостаток.
Поисковые исследования естественной сушки конусов льнотресты увеличенной массы проводили Б.С. Петухов и В.И. Сизов [120, 177]. Эти исследования показали, что с увеличением массы увеличивается устойчивость, и конуса массой 5... 15 кг имеют удовлетворительную просыхаемость.
Формирование и установка конусов увеличенной массы вручную повышает трудозатраты и снижает производительность. Для проведения подъема льнотресты в агросроки, снижение затрат труда на уборке, сохранения качества льнопродукции представляется актуальным создание подборщика, производящего подбор влажной льнотресты, формирование и установку конуса увеличенной массы на естественную сушку. При разработке рабочих органов, предназначенных для формирования и установки конусов необходимо учитывать основные требования, предъявляемые к ним: - устойчивость конуса; - просыхаемость конуса; - максимальная производительность подборщика. Устойчивость конуса определяется массой, геометрическими параметрами, влагосодержанием льнотресты и ветровой нагрузкой. С увеличением вла-госодержания стебля происходит снижение сопротивляемости изгибу. Поэтому при установке в конуса стеблей с высоким влагосодержанием они искривляются и нарушают параметры конуса [189]. Для конуса характерным параметром является угол при вершине. С увеличением и уменьшением этого угла от оптимального значения устойчивость конуса снижается. Рассмотрим влияние на устойчивость конуса массы, геометрических параметров и ветровой нагрузки. Устойчивость включает сохранение заданных размеров и формы конуса, а также способность сопротивляться действию внешних и внутренних сил. На установленный в поле конус воздействует сила от массы конуса G и опрокидывающая сила ветра Р (рис. 3.1). В процессе сушки масса конуса изменяется. Рассмотрим силу от массы конуса, сосредоточенную вдоль оси симметрии. Нарушение устойчивости конуса под действием ветровой нагрузки проявляется прежде всего в том, что происходит отрыв и поворот опорной поверхности относительно точки О противоположной приложению действия силы давления ветра. В дальнейшем такой поворот повлечет за собой уменьшение угла а, нарушение формы конуса и разрушение. Воздушный поток рассмотрим как равномерный, плавно омывающий конус без завихрений. Силу лобового сопротивления можно определить по формуле [102]:
Результаты расчетов и построенные по ним графики (рис. 3.2) показывают, что для сохранения устойчивого положения конуса с увеличением ветровой нагрузки, длины стеблей и соотношения верхнего и нижнего диаметров должна увеличиваться масса конуса. Так, для сохранения устойчивого положения конуса при длине стеблей 0,7 м, скорости ветра V = 8 м/с и соотношения диаметров di/d.2 = 1 должен иметь массу т = 4,4 кг.
При длительном нахождении конуса льна в поле, в результате взаимодействия с окружающим воздухом, в материале устанавливается равновесная влажность, т.е. давление водяного пара над материалом будет равно парциальному давлению водяного пара в окружающем воздухе. Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности воздуха. По мере насыщения воздуха водяными парами, его способность к испарению влаги снижается, уменьшается температура. На протяжении срока уборки температура и относительная влажность воздуха снижается, т.е. снижается потенциал сушки, характеризующий способность воздуха к испарению влаги. Пригодность воздуха для сушки определяется по его относительной влажности ср и температуре t. Определение зависимости равновесного влагосодержания от параметров воздуха ир =f(t, р) требует проведения специальных экспериментов.
В литературных источниках не обнаружено такой зависимости для льна. Поэтому для анализа возможности сушки льна в осенний период воспользуемся имеющимися зависимостями для сено-соломистых материалов, считая, что характер протекания данного процесса в льнотресте будет аналогичным. Воспользовавшись этой зависимостью, можно определить какую относительную влажность должен иметь воздух для обеспечения процесса поглощения влаги из высушиваемого материала. Зависимость ир = f(t, д ) для сена по Шнейдеру [143] представлена на рис. 3.3. W. Shepherd [255] предложил следующее эмпирическое выражение для определения равновесной влажности воздуха
Определение коэффициентов влагопроводности по экспериментальным данным
При разработке подборщика были проверены рабочие органы для подъема ленты - барабан с убирающимися пальцами, зубья грабельного типа. После подъема ленты поступающую массу льна формировали в порции механизмом порциеобразователя.
Масса льна от механизмов порционной подачи вводится в накопительную камеру. Необходимость накопительной камеры в данном случае объясняется тем, что подборщик в процессе работы должен непрерывно устанавливать на поле конуса массой до 20 кг. Для установки конусообразователя на раму подборщика с учетом его поворота на 90 при установке конуса, требуется определенная высота.
Кроме этого, периодический отход конусообразователя от поступающей массы льна также требует дополнительного пространства и объема. За накопительной камерой устанавливается распределительная решетка, которая является частью накопительной камеры, причем подвижной частью, служащей для перекрытия выхода массы из камеры и увеличения ее объема за счет синхронного движения ее от неподвижной части накопительной камеры к конусообразователю.
В первом варианте при срабатывании конусообразователя распределительная решетка, перекрывая выход из накопительной камеры, подходила к последней. Но, как показали испытания, в этом случае объем накопительной камеры уменьшается, что затруднило последующий ввод массы льна в конусооб-разователь. Поэтому в последнем варианте распределительная решетка отходит от неподвижной части камеры к конусообразователю, который в этот момент также отходит от рамы подборщика с целью установки конуса.
В первоначальном варианте установку конусов осуществляли при остановке агрегата. Привод рабочих органов конусообразователя осуществляли гидроцилиндрами от одного канала гидрораспределителя трактора. В процессе формирования конуса производится обжатие массы, отвод стеблей сжатой массы в сторону с целью освобождения прохода трактора для следующего захода агрегата, разворот камеры конусообразователя на 90 с установкой конуса. Срабатывание гидроцилиндров осуществляли последовательно друг за другом, для чего используются гидроклапаны. Установка конусов при остановке агрегата существенно снижает производительность подборщика, в связи с чем, был разработан вариант подборщика с установкой конуса на ходу агрегата. Для этого конусообразователь имеет привод для совершения возвратно-поступательного движения в горизонтальной плоскости. В этом случае во время установки конуса рама конусообразователя движется в противоположную сторону движения агрегата с той же скоростью, что позволяло устанавливать конус при тех же условиях, как и при остановке агрегата, т.е. когда скорость конусообразователя относительно поверхности почвы равна нулю. В первоначальном варианте конструкции подборщика момент наполнения конусообразователя определялся визуально. Затем разработан механизм автоматического включения и отключения конусообразователя, что позволяет существенно увеличить производительность подборщика. В процессе разработки подборщика было проверено три варианта конструкции конусообразователя, с помощью которых осуществляли формирование конусов с расположением стеблей под необходимым углом к горизонту. В первоначальном варианте (А.С. №1568363) лепестки конусообразователя практически при сжатии поворачивались на один угол, что не позволяло установить массу льна на поле под нужным углом. Затем было внесено изменение в конструкцию, положительное решение которого, позволяло разделить камеру конусообразователя на 2 части. При этом лепестки каждой секции поворачивались на различный угол, образуя при сжатии усеченный конус под углом 70 к горизонтальной плоскости. Проверка данной конструкции конусообразователя показала, что установка стеблей на поле под углом 70 к горизонту не обеспечивает необходимой устойчивости конуса. В связи с чем была проведена доработка конструкции камеры.
В последнем варианте конструкция камеры конусообразователя значительно упрощена, при этом угол усеченного конуса камеры доведен до 55 к горизонтальной плоскости.
Сушка - сложный процесс взаимодействия влажного материала с окружающей средой, в результате которого влага из материала переходит в окружающую среду. Атмосферный воздух всегда содержит какое-то количество влаги в виде водяных паров, поэтому сушку можно рассматривать далее, как процесс взаимодействия влажного воздуха с влажным материалом. Для формализации процесса естественной сушки рассмотрим конус в виде цилиндрического тела, составленного из отдельных стеблей льна. Сушка происходит за счет удаления влаги с поверхности конуса под действием следующих основных факторов: - разности влагосодержания (влажности) льна и воздуха; - температуры окружающего воздуха; - обдува конуса ветром определенной скорости. Увлажнение воздуха происходит под действием только выпадающих осадков. В начале сушки влажность конуса по диаметру принимается одинаковой и равной начальной влажности. В общем виде процессы сушки и увлажнения конуса можно представить следующей моделью (рис. 3.4). Таким образом, считаем, что удаление влаги из конуса происходит только по боковой поверхности конуса за счет взаимодействия его с окружающим потоком воздуха. При выпадении осадков считаем, что влажность конуса изменяется только за счет количества влаги, которое попадает через площадь верхнего сечения и равномерно распределяется по всему объему.
Влияние подачи льновороха на предварительную сепарацию цилиндрическим решетом
Наименьшие потери семян льна при сепарации вороха (Пм = 1,5%) происходят при угле подачи льновороха на решето 10 и частоте вращения решета 26 мин"1. При увеличении угла подачи льновороха с 10 до 50 и частоты вращения цилиндрического решета с 26 до 36 мин 1 происходит рост потерь семян льна до 25,8%. Причем, как видно из поверхности отклика, по мере роста значений / и преш потери семян льна увеличиваются более интенсивно. Если при увеличении угла подачи льновороха с 10 до 30 потери семян льна увеличиваются на 2,4% с 1,5 до 3,9%, то в случае увеличения угла подачи льновороха с 30 до 50, прирост потерь семян составляет 6,9%.
В качестве одной из причин роста потерь семян можно выделить уменьшение протяженности зоны сепарации цилиндрического решета при увеличении угла подачи льновороха. При этом часть семенных коробочек, особенно коробочки со стеблем (около 50% от коробочек, попадающих в отходы) не проходят в ячейки цилиндрического решета и выносятся в отходы вместе с соломистыми примесями.
Совместное действие двух факторов - угла подачи льновороха и частоты вращения решета вызывает более интенсивный рост потерь семян льна. При увеличении угла подачи льновороха с 10 до 50 на частоте вращения решета 36 мин"1 потери семян возрастают с 5,4 до 25,8%. Это соответственно на 3,9% и 15,0% больше, чем на частоте вращения решета 26 мин"1.
Проведя анализ поверхности отклика на рис. 5.20 с помощью программы STATISTIC А, получены диапазоны рациональных значений факторов: угол подачи льновороха на решето 19; частота вращения цилиндрического решета 30 мин"1.
Степень выделения соломистых примесей прямо пропорционально зависит от угла подачи льновороха и частоты вращения цилиндрического решета (рис. 5.21). Форма поверхности показывает более сильное влияние на степень выделения соломистых примесей угла подачи льновороха. Влияние частоты вращения цилиндрического решета выражено несколько слабее, но по степени интенсивности близко к влиянию угла подачи вороха. Это подтверждают значения коэффициентов регрессии членові яХ2 выражения (5.19).
Максимальной степени выделения соломистых примесей соответствуют верхние уровни факторов. При угле подачи льновороха 50 и частоте вращения решета 36 мин"1 экспериментальная установка выделяет из льновороха 81,5% содержащихся в нем соломистых примесей.
При теоретическом рассмотрении процесса сепарации в главе 2 определено, что с увеличением окружной скорости цилиндрического решета снижается вероятность прохода в ячейки соломистых примесей. Как видно из полученной поверхности отклика, экспериментальные данные подтверждают теоретические предположения. Увеличение частоты вращения цилиндрического решета с 26 до 36 мин"1 при угле подачи вороха 10 увеличивает степень выделения соломистых примесей с 56,3 до 67,5%. При угле подачи вороха 50 степень выделения соломистых примесей возрастает на 11,2% (с 70,3 до 81,5%).
Совместный анализ влияния угла подачи льновороха на решето и частоты его вращения показывает, что рабочие режимы, обеспечивающие минимум потерь семян и максимум выделения соломистых примесей являются взаимоисключающими. При наибольшей степени выделения примесей 81,5%, потери семян льна также достигают максимального значения 25,8%. При минимуме потерь семян {Пм = 1,5%) количество соломистых примесей, выделяемых из вороха, также минимально - 56,3%. Следовательно, для поиска оптимальных режимов работы установки необходимо решение компромиссной задачи.
Решение компромиссной задачи необходимо проводить, основываясь на допустимых значениях потерь семян льна (не более 2%) и требуемой степени выделения соломистых примесей не менее 50%.
Определенные ранее режимы работы установки из условия Пм 2%: угол подачи вороха на решето /Зреш 19; частота вращения решета преш 30 мин"1 обеспечивают выделение 56,3...63,9% соломистых примесей находящихся в льноворохе. Как показывают эксперименты, на всем диапазоне изменения Ро и Преш, экспериментальная установка обеспечивает степень выделения соломистых примесей более 50%.
На рис. 5.22 и 5.23 представлено влияние коэффициента живого сечения разделяющей поверхности на потери семян льна при различных режимах цилиндрического решета. Из графиков на рис. 5.22 и 5.23 следует, сепарация льновороха с минимальными потерями семян на всем диапазоне изменения угла подачи вороха и частоты вращения цилиндрического решета происходит при использовании разделяющей поверхности с коэффициентом живого сечения s = 0,15.
При использовании решет с s = 0,23 и s = 0,08 потери семян льна превышают допустимые соответственно в 1,3...7,6 и 3,5...9,8 раз в зависимости от рабочего режима цилиндрического решета.
Увеличение частоты вращения решета с 26 до 36 мин"1 увеличивает скорость частиц вороха на поверхности решета. Уменьшается время, отводимое коробочкам для прохождения в ячейки, что является причиной роста потерь семян льна с 2,6 до 8,2% для решета с коэффициентом живого сечения s = 0,23 и с 7,0 до 12,6% для решета с s = 0,08. При совместном действии факторов (XI) и (Х2) интенсивность роста потерь семян льна в отходы еще более возрастает. При угле подачи льновороха 50 и частоте вращения цилиндрического решета 36 мин"1 потери семян достигают максимальных величин для решет: коэффициент живого сечения 0,15 - 25,8%; коэффициент живого сечения 0,23 - 31,1%; коэффициент живого сечения 0,08 - 34,1%.
