Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса, задачи и программа исследования 8
1.1. Современный уровень развития вертикально-шпиндельных аппаратов уборочных машин для тонковолокнистого хлопка-сырца 8
1.2. Обзор исследований по обоснованию параметров шпинделя и шпиндельного барабана хлопкоуборочного аппарата 13
1.3. Обзор графоаналитических методов анализа и синтеза параметров шпинделя и барабана хлопкоуборочного аппарата 25
1.4. Цель и задачи исследования. Программа теоретических и экспериментальных исследований 28
ГЛАВА 2. Теоретические исследования' условия захвата хлопка шпинделем и обоснование параметров шпиндельного барабана уборочного аппарата для тонковолокнистого хлопка-сырца 30
2.1. Взаимодействие поверхности гладкого шпинделя с хлопковой долькой 30
2.2. Вкалывание и захват хлопка-сырца зубом шпинделя. Условия захвата дольки 38
2.3. Условия образования петли в траектории вершины зуба шпинделя 52
2.4. Влияние центрального угла раскрытости дола и формы передней грани зуба шпинделя на его захватывающую способность .59
2.5. Вероятность встречи коробочки со шпинделем в рабочей зоне 65
2.6. Обоснование количества дол и диаметра шпинделя . 73
2.7. Обоснование высоты зуба шпинделя 80
Выводы по главе 87
ГЛАВА 3. Графический метод анализа и синтеза параметров шгощцеля и барабана хлопкоуборочного аппарата с помощью аналогов скоростей 88
3.1. План аналогов угловых скоростей 88
3.2. План аналогов скоростей 94
3.3. Анализ параметров шпиндельного барабана с помощью аналогов скоростей 96
3.4. Определение параметров шпиндельного барабана с помощью аналогов скоростей 104
Выводы по главе 107
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования. лабораторные и лабораторно-полевые опыты разработанных хлопкоуборочных аппаратов
4.1. Программа, лабораторные и полевые установки, методика проведения исследований ПО
4.2. Исследование свободных колебаний,упругих и др.характеристик элементов тонковолокнистого хлопка 118
4.3. Лабораторные исследования процесса взаимодействия шпинделя с хлопком-сырцом 127
4.4. Исследование влияния угла охвата ремнями роликов шпинделей на показатели работы хлопкоуборочной машины 138
4.5. Исследование влияния количества дол и диаметра шпинделей на процесс сбора 144
4.6. Исследование влияния количества шпинделей на барабане 150
4.7. Полевые исследования влияния угла раскры тое дола, формы и шага расположения зуба, шпинделя 152
Выводы по главе 154
ГЛАВА 5. Практическая реализация и экономическая эффективность результатов работы 156
5.1. Практическая реализация шпиндельного барабана с рациональными параметрами, результаты сравнительных и государственных испытаний 156
5.2. Оценка эффективности работы хлопкоуборочной машины 158
5.3. Номограммы для определения оценок эффективности хлопкоуборочных машин 161
5.4. Экономическая эффективность применения хлопкоуборочной машины с рекомендованными параметрами шпиндельных барабанов 164
Общие выводы и рекомендации 172
Литература
- Обзор исследований по обоснованию параметров шпинделя и шпиндельного барабана хлопкоуборочного аппарата
- Вкалывание и захват хлопка-сырца зубом шпинделя. Условия захвата дольки
- Исследование свободных колебаний,упругих и др.характеристик элементов тонковолокнистого хлопка
- Оценка эффективности работы хлопкоуборочной машины
Введение к работе
Хлопководство является одной из основных отраслей сельскохозяйственного производства СССР. В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС к концу одиннадцатой пятилетки производство хлопка в стране должно увеличиться до 9,2...9,3 млн.тонн,особенно интенсивно должно увеличиться производство тонковолокнистых сортов хлопчатника /I/. Развитие хлопководства играет огромную роль в реализации Продовольственной программы страны, принятой Майским (1982) Пленумом ЦК КПСС. В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР /2/ отмечается, что важнейшим условием выполнения Продовольственной программы СССР является переоснащение сельскохозяйственного производства высокоэффективной техникой.
Интенсификация хлопководства тесно связано с усовершенствованием уборочных машин. Выпускаемые промышленностью хлопкоуборочные машины мало приспособлены для сбора тонковолокнистого хлопка-сырца, особенно высока его засоренность при машинной уборке /3, 4,5,6,7/. Хлопкоуборочные машины ХВН-1,2А и ХВН-1,8, предназначенные для сбора тонковолокнистого хлопка, отличаются от обычных применением в ней нагнетательной пневмотранспортной системы и малогабаритного очистителя. Это способствовало значительному улучшению качества собираемого хлопка-сырца, однако полнота сбора хлопка осталась неизменной /4,8/.
Неотложной задачей в данный момент является усовершенствование уборочных машин для сбора тонковолокнистого хлопка-сырца, что требует глубокого исследования процесса сбора шпиндельными уборочными аппаратами и выявления возможности повышения полноты сбора, не увеличивая при этом засоренности.
В настоящей работе рассматриваются вопросы расчета рациональных параметров шпиндельного барабана хлопкоуборочного аппа рата. В работе приведены теоретические исследования взаимодействия хлопкового волокна с цилиндрической поверхностью шпинделя, процесса захвата хлопковой дольки шпинделем, результаты ла-бораторно-полевых испытаний.
В работе даны критерии оценки эффективности работы хлопкоуборочных машин, которые могут способствовать решению вопросов оптимизации параметров хлопкоуборочных машин, как в отдельности, так и с учетом технологии уборки хлопка-сырца в целом.
В результате исследований разработаны аналитические и графические методы определения параметров хлопкоуборочного аппарата, обоснованы параметры шпинделя и его привода для сбора тонковолокнистого хлопка-сырца, рекомендованы параметръышшндельного барабана в зависимости от кратности обработки кустов хлопчатника, которые и вынесены на защиту.
Работа выполнена на кафедре "Сельскохозяйственные машины и тракторы" Ташкентского политехнического института. Для проведения лабораторных исследований разработаны и созданы специальные стенды, измерительные приборы и приспособления, которые описаны в работе. Лабораторно-полевые испытания проводились в хозяйствах Кашкадарьинской и Сурхандарьинской областей в период 1978-1983гг. Качественные анализы хлопка-сырца проводили в лабораториях Центрального Научно-исследовательского института хлопковой промышленности (ЦНЙИХПрома) и Ташкентского института текстильной и легкой промышленности (ТИТДП).
Результаты исследований переданы в ГСКБ по машинам для хлопководства и заводу "Ташсельмаш" для внедрения и использования при разработке новых хлопкоуборочных машин. Разработанные шпиндели для тонковолокнистого хлопка успешно прошли Государственные испытания в Среднеазиатской машинно-испытательной станции (САМИС) в 1983 г.
Хлопкоуборочная машина "Политехник", оснащенная шпинделями для тонковолокнистого хлопка-сырца,демонстрировалась на ВДНХ УзССР в 1984 г.
Данная работа удостоена премии Ленинского комсомола Узбекистана в области науки и техники в 1981 г.
Экономический эффект от внедрения результатов работы в народном хозяйстве составляет 231,0 руб на одну машину в год.
Обзор исследований по обоснованию параметров шпинделя и шпиндельного барабана хлопкоуборочного аппарата
Работа аппарата шпиндельных хлопкоуборочных машин основана на извлечении хлопковых долек из коробочек в зоне сбора шпинделями и транспортировании их в зону съема, где съемники снимают их со шпинделей. Этот цикл повторяется непрерывно.Характерным для этих процессов является быстрое протекание их,например,процесс извлечения хлопка-сырца шпинделем происходит за 0,03...0,05 сек /4/. Изменение физико-механических свойств хлопка-сырца в широких пределах, случайный характер условия извлечения подтверждают, что ответственным и сложным процессом при сборе хлопка шпиндельными рабочими органами является процесс извлечения хлопковой дольки из коробочки. Для успешного выполнения извлечения хлопка необходимо своевременное протекание процесса извлечения хлопковой дольки, обеспечение неразрьюности ее при извлечении,прочное закрепление на поверхности шпинделя после извлечения, а также полное извлечение всех долек из коробочки /19/.
Впервые влияние размеров и формы шпинделя на его захватывающую способность исследовано в работах А.Ю.Йшлинского /20/ и А.П. Ковгана /21/.
А.Ю.Ишлинский рассматривал хлопковое волокно как абсолютный стержень, обладающий значительной жесткостью и выводил условия наматывания его на гладкий шпиндель t Jl5EO/J5Si) , (I.I) где Ей - жесткость хлопкового волокна; v - сила прилипания на единицу длины волокна; д - предельное расстояние действия сил прилипания; 2 - радиус шпинделя. Для определения силы натяжения свободной части волокна,захваченного гладким шпинделем,А.Ю.йшлинский рассматривал условия равновесия элементарной части волокна на поверхности шпинделя (рис.1.3) к оси X и У: (пат)тр- тем - Fds = o (T+dTj6ca&Sin&i + A/GLS+fos = 0 J (1.2) Решив систему уравнения определил т гд(е -1) (і.з) здесь Т - натяжение свободной части волокна (захватывающая способность шпинделя); - коэффициент трения; -5 - длина части волок на,наматывающей на шпиндель.
В отличие от А.Ю.Ишлинского хлопковое волокно А.П.Ковган /21/ рассматривал как абсоолютно гибкую нить и за критерием извлечения принял силу трения между поверхностью шпинделя и хлопковой дольки. Эту силу А.П.Ковган назвал "захватывающей способностью" шпинделя. Им выведена формула для определения захватывающей способности гладкого "без зубьев" шпинделя: Го (1.4) где Т - сила, приложенная к:дольке по касательной.к оси шпинделя (захватывающая способность); R - радиус шпинделя; Р -давление возникающих от внешних слоев дольки; г - константа трения, характеризующая величину деформации поверхностей; f0 -коэффициент трения скольжения; f - угол охвата долькой шпинделя.
На основе анализа формулы (1.4) с учетом числа и формы граней А.П.Ковган пришел к выводу, что максимальной захватывающей способностью обладает трехгранный шпиндель с вогнутыми гранями, так как с увеличением числа граней захватывающая способность шли» деля уменьшается, шпиндели цилиндрической поверхностью имеют минимальную захватывающую способность, уменьшение захватывающей способности с увеличением угловых скоростей шпинделя объясняет рост центробежных сил.
В работах /20,21/ не рассмотрено начальный момент извлечения и не дано точное определение угла \Р , а принятое его значение - № в (1.4) не реальное. Угол ф в процессе извлечения изменяется от 0 до д$Г /10/, поэтому вычисленное (1.4) значение силы трения Т не отражает реальное условие захвата хлопковой дольки и действительную захватывающую способность шпинделя. М.В.Сабликов /10/ исследуя начальный момент извлечения,при шел к выводу, что надежность захвата только силами трения зависит от случайных величин: от давления, прижимающего хлопок к шпинделю, от степени распущенности хлопка, от того, какой части долька касается на шпиндель, от относительного движения и скорости вращения шпинделя. Наличие на поверхности шпинделя неровностей, заусенцев, царапин способствует увеличению сопротивления при скольжении хлопка и его извлечению. Поэтому, автор утверждает о необходимости зубцов на поверхности шпинделя,которые создают усилие,достаточное для надежного извлечения дольки из коробочки.
Зубцы шпинделя А.П.Ковган рассматривает как средство для увеличения силы трения волокон вследствие их сплетения. Исходя из условия погружения зуба в массу волокна и выхода из нее при съеме, которое по мнению автора выполняется в том случае, если угол между боковыми гранями близок к двойному углу трения. По расчетам А.П.Ковгана высота зуба должна быть в пределах 3,75...5мм а ширина зуба 3...5 мм. Зубцы,расположенные по углам треугольника в шахматном порядке,приводят к повышению захватывающей способности шпинделя /21/.
Взаимодействие между вращающимся гладким шпинделем, не имеющим зубцов и хлопка-сырца исследовано С.Л.Шутаком /22/, который установил рост сил трения с увеличением шероховатости поверхности гладкого шпинделя. Автором не рассматривалось влияние скорости шпинделя на характер изменения сил трения и не раскрыта механика процесса взаимодействия.
Вкалывание и захват хлопка-сырца зубом шпинделя. Условия захвата дольки
Зубья существующих шпинделей можно представить как клинья I а объем хлопковой дольки 2, ввиду большой разности размеров клина I, и дольки 2, как фигуру, показанную на рис.2.7. Кривую, ограничивающую площадку i5 условно можно разделить на 3 участка: АС - наружная поверхность, ограничивающая захваченный зубом объем, АВ - поскольку жесткость зуба шпинделя во много раз превышает жесткость волокна, то на этом участке происходит внедрение зуба с отделением волокна от основной массы и его можно иденцифици-ровать с траекторией движения вершины зуба шпинделя. Внедрение зуба шпинделя в хлопковое волокно начинается в точке А и заканчивается в точке В, лежащей на глубине \l . Ось У проведена по нормали к поверхности волокна в точке А. Ось X проходит через точку В /75/.
ВС - перемещение точки В,принадлежащей хлопковому волокну при извлечении. Траекторию движения точки В на этом участке также можно иденцифицировать с траекторией движения вершины зуба шпинделя при следующих допущениях: а) глубина погружения зуба считается небольшой (в порядке высоты зуба); б) хлопковое волокно очень гибкое /23/.
Поскольку в последнем участке клин I удаляется от хлопковой дольки 2 и последняя состоит из волокнистого материала, то только при ВС возможно захватывание части волокон ограниченной кривой АВС;. клином I. Для извлечения дольки 2 связь между частью,ограниченной площадью б и основной массой дольки должна быть больше чем сила, необходимая для захвата дольки 2.
Как справедливо указывает М.В.Сабликов /10/ направление абсолютной скорости зуба (тела I) должно совпадать с биссектрисой угла заострения зуба. При этом сппротивление на вкалывание наименьшее. Однако, для осуществления успешного вкалывания должно выполняться еще одно у сповиє, которое заключается в том, что указанная скорость должна быть направлена в сторону хлопковой дольки.
Конечным критерием, характеризующим процесс вкалывания, может служить работа, затрачиваемая на вкалывание, которая в общем виде определяется по формуле/76/: где l A& - длина пути вкалывания; dL - элементарный путь вкалывания; ч\У) сила сопротивления вкалыванию, которая зависит от глубины вкалывания, силы трения, угла заострения клина (зуба), свойства хлопкового волокна, а также от направления абсолютной скорости клина (зуба). Как видно из формулы (2.8) работа на вкалывание зависит от силы сопротивления вкалыванию и длины траектории, необходимой для вкалывания.
Сила сопротивления на вкалывание шпиндельного зуба в хлопок можно определить по формуле, рекомендуемой в работе /77/: где 5" - ширина вершины зуба; Gp - разрушающие напряжения по вершине зуба; t =/& модуль деформации; с/1 - коэффициент Пуансона; беж - относительное сжатие. Зуб шпинделя хлопкоуборочного аппарата в зоне сбора совершает сложную траекторию, что подробно рассматривается в работах /61,62,71/, с образованием петель, рис.2.8. Образрвание петель в траектории зуба имеет важное значение в процессах вкалывания и захватыватия хлопковой дольки зубом шпинделя. При достаточно больших размерах петель, ее верхнюю часть можно представить как окружность с некоторым радиусом j)= k , а при малых ее размерах можно иденцифицировать возвратно-поступательным движением зуба относительно дольки. В связи с этим определим работу вкалывания клина 2, совершающего движение по окружности (см.рис.2.8). При этом начало угла вкалывания соответствует ь =0, а конец Ь » 90, глубина вкалывания равна /Z .
Исследование свободных колебаний,упругих и др.характеристик элементов тонковолокнистого хлопка
С помощью кадров скоростной киносъемки (см.рис.4.6, 4.7) построили экспериментальные кривые свободных колебаний хлопка-сырца, плодоножки и стебля (рис.4.8).
Как известно, характер движения тела определяется соотношением между /7 и к , входящими в уравнения колебаний (2.101).Затухающие движения колебательного характера соответствуют случаю малого сопротивления ( П к ). По экспериментальной кривой этого вида движения определяли условный период затухающих колебаний Т и логарифмический декремент затухания Л . Далее по известным зависимостям определяли остальные параметры: П= А/Т}
Для экспериментальных кривых,соответствующих апериодическому затухающему движению (случай большого и граничного сопротивления), определение характеристик колебательной системы непосредственно из записи затруднено. В этом случае фиксировали начальные условия и на ЭЦВМ Искра-226-І осуществили аппроксимацию-экс-периментальной кривой аналитическимивыражениями, представляющими общее решение уравнения (2.101) сначала для случая П- к (граничный случай), а затем для h k случай большого сопротивления). В качестве первоначального приближения принимали значение и- k-Jc/m f далее варьировали значения h к .Приближения осуществляли методом наименьших квадратов.
Определили упругие характеристики различных сортов хлопчатника. Коэффициент жесткости, используемый для оценки этой характеристики, определяли как тангенс угла наклона ОІ f касательной к средней линии характеристики, то есть
Жесткость хлопковой дольки до величины деформации 10...15 мм можно принять постоянной 4,8...5,2 Н-м"1) (рис.4.9), дальнейшее увеличение величины деформации приводит к росту коэффициента жесткости (до 10...20 Н м ). Деформация хлопка-сырца не является чисто упругой и сопровождается гистерезисом. Жесткость стебля и плодоножки и их размерных характеристик определяли для тонковолокнистого хлопка-сырца 5904-И, С-6037 и АШ-25. Измерения проводили в полевых условиях в Ульяновском и Усман Юсуповском районах Кашка-дарьинской области.
Изучение характера изменения диаметра стебля по высоте хлоп-частника проводили по схеме, показанной на рис.4.10. на сорте 5904-И. Результаты, приведены в табл.4.I, показывают, что диаметр стебля по высоте хлопчатника уменьшается и для различных участков одного и того же стебля на заданной высоте хорошо соответствует нормальному закону.
Средняя плотность стеблей составила 0,77 г/см3 при среднем квадратическом отклонении 0,039 г/см3 и коэффициенте вариации 5,1.
Жесткость стебля с увеличением высоты растения уменьшается нелинейно. Для высот 400, 600, 800 мы средняя жесткость кустов для обследованного участка поля составляла соответственно 620, НО, 90 Н-м . Для расчетов в табл.4.4 принята жесткость кустов при высоте 600 мм.
Для измерения жесткости выбирались плодоножки нормально развитых коробочек. Совместно определялись влажность, модуль упругости и геометрические характеристики плодоножек. Из табл.4.2 видно, что средний диаметр плодоножки изменяется в широких пределах и равен 4,2 мм при среднеквадратическом отклонении 0,76 и коэффициенте вариации 18%. С уменьшением влажности средний диаметр плодоножки уменьшается до 10%.
Оценка эффективности работы хлопкоуборочной машины
Сравнительные испытания хлопкоуборочных аппаратов, оснащенных шпинделями диаметром 30 мм, количеством дола-четыре и высотой зуба 1,9 мм с рациональными углами охвата ремнями роликов шпинделей и серийных аппаратов проводились в 1982 году на полях колхоза "Кызыл Юлдуз" Ангорского района Сурхандарьинской области. Агрофон поля: сорт хлопчатника - Терме&-7, процент опадания листьев 60...70%, урожайность по раскрытым коробочкам 18,5 ц/га.
В опытах применялась хлопкоуборочная машина ХВН-1,2А (без малогабаритного очистителя), бункер которой был разделен на две части. Повторность испытаний - пятикратная. Результаты испытаний приведены в таблице 5.1.
Для оценки существенности разностей по полноте сбора хлопка экспериментальными и серийными хлопкоуборочными аппаратами определяли среднее арифметическое и стандарт. Далее определяли среднюю ошибку дисперсий
Для степени свободы а. « 10 - 2 в 8 значение г,-критерия Стьюдента при 5-%-ном уровне значимости / , разница между полнотой сбора рассматриваемых аппаратов существенная. Таким образом, полнота сбора хлопкоуборочного аппарата с рекомендованными барабанами на 3, превышает сбор серийных аппаратов. Сбивание зеленых коробочек у экспериментального аппарата составляет 0,12 шт/п.м., что на 0,16 шт/п.м. меньше, чем у серийного. Засоренность хлопка, собранного предложенным аппаратом на 2,4% меньше, чем у шпинделей серийной конструкции.
Повышение качества собираемого хлопка-сырца сорта С-6037 при сборе хлопка шпинделями диаметром 30 мм и количеством дола четыре подтверждено также Государственными испытаниями /95/.Засоренность хлопка при этих испытаниях составляла 4,32%, а сбитые на землю зеленые коробочки - 0,11 шт/п.м (у серийных машин эти показатели составляют 5.33% и 0,44 шт/п.м соответственно. Поврежденность семян у испытанных шпинделей в два раза меньше по сравнению с серийными шпинделями.
Технологический процесс сбора хлопка-сырца хлопкоуборочной машиной состоит из нескольких отдельных процессов: извлечения хлопка-сырца шпинделем, съем хлопка-сырца со шпинделя, транспортировка, если предусмотрено технологическим процессом и очистка хлопка от сорных примесей. Эффективная работа машины зависит от непрерывного и качественного выполнения каждого из этих процессов.
Сущность оценки эффективности работы по процентным показателям заключается в том, что вместо сравнения нескольких показателей рассматриваемых машин сравнивается единая оценка эффективности, определяемая из этих же показателей /107/. Логической основой соединения разных показателей явился учет, в основном показателя разности в трудоемкостях выполняемых операций после рассматриваемого сбора.
Пусть агротехнические показатели хлопкоуборочной машины следующие: Б - количество хлопка-сырца, собранного в бункер из раскрывшихся коробочек, %, К - количество хлопка-сырца, оставшегося на кустах, %, 3 - количество хлопка-сырца, сбитого на землю, %, Л - количество сбитых на землю зеленых коробочек, шт/п.м., Т - средняя удельная урожайность грядки по раскрывшимся коробочкам, г/п.м.
Тогда процент хлопка-сырца оставшегося на кустах - Кт, сбитый на землю - 3j и зеленых коробочек - Л от урожайности TV равны: 3 = 3т/г, (5.3) Л І = iOOQ/Гі J
Вероятность сбора последующими уборками хлопка-сырца, оставшегося на кустах - Р , сбитый на землю - Р3 и зеленых коробочек - Рл неодинаковы и зависят от вида сбора, состояния поля, машины и организации труда. Однако можно установить их среднее значение, проводя статистические анализы результатов многочисленных испытаний. Например, если последующий сбор осу 160 ществлялся хлопкоуборочной машиной, не имеющий подборщика, то вероятность сбора из кустов (полнота сбора) равна 0,8...0,9, а Р3 и Рд равны нулю, для хлопкоуборочных машин с подборщиками Р3 в 0,5...0,7.
