Параметры молотильного аппарата зерноуборочного комбайна для уборки зернобобовых культур на семена
На правах рукописи
БРУСЕНЦОВ Анатолий Сергеевич
ПАРАМЕТРЫ МОЛОТИЛЬНОГО АППАРАТА
ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА ДЛЯ УБОРКИ ЗЕРНОБОБОВЫХ
КУЛЬТУР НА СЕМЕНА
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар 2009 2
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
(ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ»)
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Курасов Владимир Станиславович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Чеботарев Михаил Иванович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Анисимов Валерий Аркадьевич
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический ин ститут механизации и электрификации сельского хозяйства»
(ГНУ ВНИПТИМЭСХ) г. Зерноград
Защита состоится «28» января 2009 г. в «10» часов на заседании диссер тационного совета Д 220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044 г. Краснодар, ул. Калинина, 13, Кубанский ГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, аудито рия № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубан ский государственный аграрный университет».
Автореферат размещен на сайте www.kubagro.ru «26» декабря 2008 г.
Автореферат разослан «26» декабря 2008 г.
Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор С.В. Оськин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Зернобобовые культуры являются основным поставщиком растительного белка. Самая значимая культура из семейства бобовых – горох. Достоинства гороха заключаются в универсальности его использования для кормовых и продовольственных целей, повышении пло дородия почвы, простоте и доступности технологий возделывания, приспо собленности к разнообразным ландшафтным условиям зон, а также в повы шенном содержании незаменимых аминокислот. Горох является одним из лучших предшественников под зерновые культуры.
С 2004 года площадь под посевами гороха в Краснодарском крае со ставляет ежегодно 38…43 тыс. га. Урожайность гороха в значительной мере обусловлена природно-климатическими условиями и варьирует в очень ши роких пределах – от 1,24 т/га в засушливом 2003 году до 2,7 т/га в 2001 году.
Уборка урожая гороха является наиболее ответственным этапом техно логии его возделывания. Традиционно во всех регионах России, возделы вающих горох, на уборке урожая используется раздельный способ. Однако раздельный способ уборки урожая имеет серьезные недостатки в сравнении с прямым комбайнированием. В сравнении с прямым комбайнированием при раздельном способе уборки затраты труда увеличиваются минимум в 1,5 раза и зависят от погодных условий, складывающихся в период уборки. После скашивания зерно в валках теряет влагу за счёт сушки в течение некоторого времени, что вызывает растрескивание бобов и осыпание зерна на почву. На личие ветров, суховеев или осадков в период подсушки валков может при вести к полной потере урожая.
Для уборки гороха как прямым, так и раздельным способами исполь зуются самоходные зерноуборочные комбайны как отечественного, так и за рубежного производства. Существенным недостатком их работы является повышенное дробление зерна, которое зачастую превышает уровень, допус каемый агротехническими требованиями к уборке зернобобовых культур.
Следовательно, разработка мероприятий по снижению дробления гороха при уборке зерноуборочными комбайнами является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно исследовательских работ ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграр ный университет» на 2001…2005 и 2006…2010 гг. (ГР № 01.2001.13467 и ГР № 01.2006.06833).
Целью работы является повышение качества семян зернобобовых культур путем снижения дробления зерна при уборке за счет обоснования параметров молотильного аппарата зерноуборочного комбайна.
Задачи исследований:
1. Определить основной источник дробления зерна в комбайне.
2. Обосновать форму рабочей поверхности подбарабанья молотильного аппарата зерноуборочного комбайна для обмолота гороха.
3. Определить коэффициент восстановления семян гороха при ударе.
4. Уточнить прочностные свойства семян гороха новых сортов.
5. Обосновать допустимый интервал окружной скорости барабана по критерию дробления семян гороха.
6. Установить влияние материала рабочих органов молотильного аппа рата на процесс обмолота гороха.
7. Определить экономическую эффективность предлагаемых меро приятий по снижению дробления гороха.
Объекты исследований - технологический процесс обмолота зерно бобовых культур, физико-механические свойства семян гороха, рабочие ор ганы для обмолота зернобобовых культур.
Предмет исследований - закономерности изменения показателей процесса обмолота зернобобовых культур от параметров молотильного аппа рата.
Методы исследований. Для определения основных параметров рабо чих органов молотильного аппарата применялись методы теоретической ме ханики и математического анализа.
Экспериментальные исследования проводились с целью проверки тео ретических выводов, а также выявления ранее неизвестных закономерностей.
Обработка и анализ результатов исследований проводилась методами математической статистки.
Рабочая гипотеза: снижение дробления гороха при его обмолоте на семена может обеспечиваться за счёт покрытия рабочих органов молотиль ного аппарата упругим материалом.
Научная новизна исследований заключается в установлении матема тических зависимостей, определяющих основные параметры молотильного аппарата зерноуборочного комбайна применительно к обмолоту зернобобо вых культур, в разработке методики определения коэффициента восстанов ления семян, в обосновании эффективности использования упругих покры тий рабочих органов молотильного барабана.
Практическая значимость работы заключается в обосновании пара метров молотильного аппарата зерноуборочного комбайна для обмолота зер нобобовых культур.
Основные положения, выносимые на защиту:
- математические зависимости, определяющие основные параметры мо лотильного аппарата для обмолота зернобобовых культур;
- методика определения коэффициента восстановления семян при ударе;
- результаты исследований по определению эффективности покрытия рабочих органов молотильного аппарата зерноуборочного комбайна упругим материалом;
- экономическое обоснование предлагаемой модернизации молотильно го аппарата зерноуборочного комбайна для уборки зернобобовых культур.
Реализация результатов исследований. Полученные результаты ис пользованы ГНУ «Краснодарский научно-исследовательский институт сель ского хозяйства им. П.П. Лукьяненко» (ГНУ КНИИСХ, г. Краснодар) при модернизации семеноводческого комбайна Сампо-500.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях ФГОУ ВПО «Кубанский государствен ный аграрный университет» в 2004-2008 гг. Результаты исследований отме чены дипломом III степени краевого конкурса на лучшую научную и творче скую работу среди аспирантов (соискателей) высших учебных заведений Краснодарского края за 2006 г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе в журнале «Механизация и электрификации с сельского хозяйства», трудах ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный уни верситет», материалах научных конференций, в том числе три свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и два патента РФ. Общий объем публика ций составляет 1,8 п.л., из них на долю автора приходится 1,2 п.л.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четы рех разделов, общих выводов, списка использованных источников и прило жения. Общий объем составляет 148 страниц машинописного текста, вклю чая 17 таблиц, 27 рисунков, 16 страниц приложения. Список использованных источников включает 125 наименований.
Автор выражает благодарность профессору В.С. Кравченко за сотруд ничество в проведении экспериментальных исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и представлены ос новные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» при веден обзор способов уборки гороха и применяемых при этом машин, исход ные требования к качеству уборки гороха, обзор и анализ научно исследовательских работ по теме исследования.
Значительный вклад в изучение процессов обмолота и развития конст рукций молотильных устройств внесли В.П. Горячкин, М.Н. Летошнев, В.А.
Желиговский, М.А. Пустыгин, И.Д. Василенко, Б.И. Турбин, М.В. Сабликов, Н.И. Клёнин, Э.И. Липкович, Э.В. Жалнин.
Решению отдельных вопросов процесса обмолота разных культур и со вершенствованию конструкций молотильных аппаратов посвящены работы В.Г. Антипина, С.А. Алфёрова, А.Н. Гудкова, В.В. Деревенко, А.С. Комаро ва, Т.И. Егоровой, Н.Ф. Игнатовского, Г.М. Гинько, Г.И. Назарова, В.А. Са куна, А.И. Филиппова и ряда зарубежных авторов.
Физико-механические свойства гороха изучались Н.В. Калашниковой, В.П. Мартиросовой, А.А. Жуковым, В.М. Халанским, С.Д. Птициным.
На основании анализа литературных источников нами была выдвинута следующая гипотеза. Снижение дробления гороха при его обмолоте на семе на может обеспечиваться за счёт покрытия рабочих органов молотильного аппарата упругим материалом. Это исключит из процесса обмолота острые кромки бичей и снизит концентрацию напряжений при ударе зерна о под бичники. При этом должно снизиться и дробление семян гороха на выходе из рабочей щели за счёт возможности деформации материала над последней планкой подбарабанья. Создание равномерно изменяющегося зазора между барабаном и подбарабаньем также должно снизить дробление семян за счёт более равномерного распределения массы по рабочей щели, в результате чего улучшится сепарация зерна сквозь подбарабанье.
На основании изложенного сформулирована цель и поставлены задачи исследований.
Во втором разделе «Программа и методика исследований» пред ставлены программа и методика исследований.
Программой теоретических исследований предусматривалось:
1. Обосновать форму рабочей поверхности подбарабанья молотильного аппарата зерноуборочного комбайна для обмолота гороха.
2. Разработать методику определения коэффициента восстановления семян при ударе.
3. Определить допустимый интервал окружной скорости барабана по критерию дробления семян гороха.
4. Установить влияние материала рабочих органов молотильного аппа рата на процесс обмолота гороха.
В программу экспериментальных исследований входило:
1. Определение основного источника дробления зерна в комбайне.
2. Установление влияние конструктивных особенностей подбарабанья на качественные показатели процесса обмолота гороха.
3. Нахождение коэффициента восстановления семян гороха при ударе.
4. Определение прочностных характеристик семян гороха.
5. Установление влияния материала рабочих органов молотильного ап парата на качественные показатели процесса обмолота зернобобовых куль тур.
Экспериментальная часть работы была выполнена на кафедре сельско хозяйственных машин ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ», а также в лаборатории селекции и первичного семеноводства гороха ГНУ КНИИСХ. Исследования проводились на специально сконструированных приборах и установках, а также модернизированном комбайне Сампо-500. В опытах использовались семена гороха селекции ГНУ КНИИСХ.
Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась методами общей теории статистики. Для обработки результатов многофак торного эксперимента использовалась программа Statgraphics Plus 2.1.
В третьем разделе «Результаты экспериментально-теоретических исследований» представлены результаты теоретических и эксперименталь ных исследований.
Для установления основного источника дробления зерна в комбайне было проведено специальное исследование, заключавшееся в отборе проб зерна после последовательного прохождения им рабочих органов.
Для эксперимента использовался комбайн Сампо-500. Исследования - проводились при частоте вращения молотильного барабана n = 400 мин и величине зазоров на входе и на выходе из рабочей щели, равными, соответ ственно, 28 мм и 14 мм. Место проведения исследования - участок размно жения новых сортов гороха ГНУ КНИИСХ.
Установлено, что наибольшее дробление зерна имеет место в моло тильном аппарате. При этом дробление зерна, выделившегося под подбара баньем (75 % от общей массы), составило 3,8 %, а дробление зерна, прошед шего через зазор на выходе из рабочей щели (25 % от общей массы), достиг ло 12,5 %. Общее дробление зерна молотильным аппаратом составило 6,0 %.
Радиус подбарабанья молотильного аппарата для создания условий тонкослойного распределения массы по подбарабанью должен обеспечивать плавное уменьшение зазора от входа к выходу рабочей щели. В наибольшей степени этому требованию, по нашему мнению, отвечает выполнение обра зующей подбарабанья по участку спирали Архимеда.
Для анализа связей между основными параметрами рабочей щели сде лаем следующие допущения: молотильный барабан выполнен в виде гладко го сплошного цилиндра с радиусом RБ;
подбарабанье выполнено в виде огра ниченной по углу гладкой цилиндрической поверхности с радиусом RП.
Рассмотрим полярную систему координат с полюсом в центре ОБ ок ружности барабана - рисунок 1.
В этой системе текущее значение зазора между барабаном и подбара баньем будет равно Z = + Cos(дц – ) ± r 2 Cos 2 (jдц - j) + R 2 - r 2 - RБ. (1) п где Z - зазор между барабаном и подбарабаньем, м;
– текущий радиус вектор, м.
Анализ выражения (1) показывает, что данная функция определена при всех значениях и не имеет точек разрыва.
j дц О r П 360 - j е дц RБ Zвх ОБ Zвых = = f f п f п R rx f min ma r П Рисунок 1 - Схема к определению текущего зазора между барабаном и под барабаньем по углу охвата: – полярный угол, отсчитываемый по часовой стрелке от полярной оси, проведённой через точки подбарабанья на входе в рабочую щель, град;
дц – угловая координата центра окружности подбарабанья, град;
п – угол охвата под барабанья, град;
Rп - радиус подбарабанья, м;
RБ – радиус барабана, м;
Zвх, Zвых – зазор, соответственно на входе и выходе рабочей щели, м.
С целью обоснования радиуса подбарабанья рассмотрим геометриче скую задачу о проведении окружности через две точки с координатами М1( = 0;
= max) и М2( = п;
= min) – рисунок 2.
j дц ОП RБ Zвх ОБ Zвых Zвх =R RБ+ r r = r +Z Б в j ых П rx ma min r М М К Рисунок 2 - К обоснованию радиуса подбарабанья Через точки М1 и М2 можно провести бесчисленное количество окруж ностей, центра которых будут находиться на линии перпендикулярной отрез ку М1М2 и проходящей через его середину (К). Расстояние между точками М1 и М2 в полярной системе координат определяется выражением:
М1М 2 = r 2 max + r 2 min - r max r min Cos j п, (2) Областью Rп будет множество его значений превышающих минималь но возможный радиус Rпmin проведённый из точки радиусом (К) М1 М КМ1 =.
r 2 max + 2r max r min + r 2 min r max + r min = Rп=, (3) 2 Учитывая, что max = RБ + Zвх, а min= RБ + Zвых получим Zвх + Zвых, Rп = RБ + (4) Для анализа изменения зазора от входа к выходу рабочей щели следует определить базу для сравнения. Такой базой может стать выполнение обра зующей подбарабанья по участку спирали Архимеда.
Примем, что для образующей отрезка спирали использован её участок, уравнение, которого в полярной системе координат имеет вид = b – а, (5) где – текущий радиус-вектор, м;
b – начальное значение радиус-вектора на входе в рабочую щель, м равное max = RБ + Zвх;
а – скорость изменения ра диуса по углу охвата, м/град.
Примем за расстояние между функциями модули разности площадей рабочей щели, образуемых при различных законах выполнения образующих рабочих поверхностей подбарабанья. Площадь криволинейного сектора, ог раниченного кривой = () и лучами = 0 и = п, определяется выраже нием j=j r dj.
SС = (6) 2 j= Площадь рабочей щели (SРЩ) определится из выражения SРЩ = Sс – SС.ОБ, (7) где SС.ОБ – площадь сектора окружности подбарабанья, м2.
SС.ОБ = R 2 п. (8) Б где RБ – радиус барабана, м;
п – угол охвата барабана подбарабаньем, град.
Для различных образующих подбарабанья это есть одна и та же посто янная величина. Поэтому ограничимся рассмотрением площадей секторов и определим из условия их равенства радиус окружности, который в дальней шем обозначим как Rэ и ограничивающий ту же площадь, что и спираль, описываемая выражением (5).
SС = S ЭР, (9) где SС – площадь сектора, ограниченная лучами = 0 и = п и функцией = b – а;
S ЭР – площадь сектора, ограниченная лучами = 0 и = п и ра диусом Rэ.
После подстановки выражения (5) в выражение (6) с учетом равенства (9) имеем j =jп j= j п R э dj.
(b - aj) dj = (10) 2 j = j= После интегрирования выражение (10) примет вид (b - аj) 3 1 = R э jп. (11) 6а Известно, что Zвх - Z вых а=, b = R Б + Zвх, jп Подставив эти соотношения в выражение (11) и решив его относитель но Rэ получим Z + Zвых + Z2 вых Z вх R э = вх + RБ +. (12) 2 В выражении (12) Zвх + Zвых + R Б - есть средний радиус подбарабанья Rср.
Следовательно, выражение (12) примет вид Z2 вх + Z 2 вых Rэ = + R2. (13) ср Погрешность такой замены, определенная методом численного анали за, составляет 0,09 %.
Экспериментальная проверка теоретических положений была проведе на на специально изготовленном стенде. Молотильный аппарат стенда был разделен на две секции. Для одной секции было изготовлено эксперимен тальное подбарабанье с рабочей поверхностью, выполненной по спирали Ар химеда. Во второй секции было установлено подбарабанье с комбайна СК-5М.
Зазоры на обоих подбарабаньях составляли: на входе 28 мм, на выходе 14 мм.
В качестве материала исследований использовалась листостебельная масса гороха сорта Легион. Влажность зерна составляла 11…12 %. Масса по даваемых порций составляла 5000+100 грамм. Порции подавались ленточ ным транспортером. Зазоры между барабаном и подбарабаньем оставались неизменными, изменялась только частота вращения молотильного барабана.
Опыты проводились в пятикратной повторности. Результаты опытов пред ставлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты обработки опытных данных по дроблению и недомолоту зерна гороха по разным подбарабаньям Частота Результаты статистической обработки вращения Тип Показатель барабана, подбарабанья НСР X1 - X Sd X мин- экспериментальное Дробление 0, 0,0040 0,30 0, зерна, % заводское 1, экспериментальное Недомолот 1, 0,0037 0,01 0, зерна, % заводское 1, экспериментальное Дробление 1, 0,0030 0,45 0, зерна, % заводское 1, экспериментальное Недомолот 1, 0,0018 0,07 0, зерна, % заводское 1, экспериментальное Дробление 1, 0,0015 0,53 0, зерна, % заводское 1, экспериментальное Недомолот 0, 0,0018 0,01 0, зерна, % заводское 0, экспериментальное Дробление 1, 0,0026 0,33 0, зерна, % заводское 1, экспериментальное Недомолот 0, 0,0008 0,02 0, зерна, % заводское 0, экспериментальное Дробление 1, 0,0029 0,36 0, зерна, % заводское 1, экспериментальное Недомолот 0, 0,0004 0,01 0, зерна, % заводское 0, Из анализа данных таблицы 1 следует, что выполнение рабочей по верхности подбарабанья по спирали Архимеда существенно снижает как дробление, так и недомолот зерна гороха.
В существующих методиках определения коэффициента восстановле ния семян используется высота отскока при ударе об горизонтальную иссле дуемую поверхность. Практическое определение коэффициента восстановле ния в этом случае затруднено в связи со сложностью определения высоты подъема тела после удара. В предлагаемой нами методике используется дальность отскока семени при ударе об вертикальную поверхность.
Среднее значение коэффициента восстановления семян гороха при ударе о стальную поверхность по пяти сортам составило eст = 0,66 ± 0,03.
ср Влажность зерна варьировала в интервале 13,8…16,4 %. На основании анали за полученных экспериментальных данных коэффициент восстановления оп ределялся только для одного сорта – Атлант. Установлено, что коэффициент восстановления гороха при ударе об обрезиненную поверхность составляет = 0,75 ± 0,002.
Прочность зерна гороха определялась на переоборудованном приборе для компрессионных испытаний грунтов К1-М. В качестве материала для исследований использовался горох сорта Легион. Опыты проводились в де сятикратной повторности. Фиксировалось два параметра: деформация зерна и нагрузка при этой деформации.
Результаты обработки опытных данных представлены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2 - Результаты обработки данных по статическому сжатию зерна гороха (плоскость разъема семядолей перпендикулярна нагрузке) Результаты статистической обработки Параметр Повторности SX S x S V 600, 592, 600, Разрушающая 583, 578, 599, 592,5 61,1666 7,8209 0,013 6, нагрузка, Н 595, 587, 600, Предельная де- 2,00;
2,22;
2,46;
2,77;
формация зерна, 2,40;
2,50;
2,20;
2,30;
2,36 0,0448 0,2118 0,090 0, мм 2,26;
2, Таблица 3 - Результаты обработки данных по статическому сжатию зерна гороха (плоскость разъема семядолей параллельна нагрузке) Результаты статистической обработки Параметр Повторности SX S x S V 442, 437, 430, Разрушающая 445, 441, 447, 434,5 90,9444 9,5364 0,022 9, нагрузка, Н 433, 428, 424, Предельная де- 2,27;
2,33;
2,48;
2,11;
формация зерна, 2,29;
2,37;
2,24;
2,20;
2,16 0,1002 0,3165 0,146 0, мм 1,59;
1, Из анализа данных таблиц 2 и 3 следует, что усилие разрушения семян гороха в 1,37 раза больше при расположении плоскости разъема семядолей перпендикулярно приложенной нагрузке.
Обоснование допустимого интервала окружной скорости барабана при обмолоте по критерию повреждаемости семян гороха нами было проведено для молотильного аппарата комбайна Сампо-500 с использованием положе ний теории удара Герца.
Рассмотрим удар бичом молотильного барабана по семени гороха – ри сунок 3.
wб n RБ- RБИЧ hОБ а О RБ БИЧ VОБ Vуд а n Рисунок 3 - Схема к определению скорости соударения бича и зерна Профиль рабочей поверхности бича выполняется по дуге окружности.
Это позволяет бичу и зерну в точке контакта иметь общую нормаль. Таким образом, удар бича по зерну гороха может быть рассмотрен как центральный удар двух тел при условии приведения центра массы барабана к центру ок ружности рабочей поверхности бича.
Примем следующие обозначения: wб - угловая скорость барабана, рад/с;
R б и R бич - соответственно радиус барабана и радиус окружности, об разующей профиль рабочей поверхности бича, м;
Vоб - скорость обмолота, м/с;
a 0 - угол контакта бича с зерном, отсчитываемый от линии, проходящей через центры окружностей О бич и О б против часовой стрелки, град.
Скорость центра О бич окружности, образующей рабочую поверхность бича, определяется как Vоб = wб (R б - R бич ), (14) При этом скорость удара в направлении общей нормали n - n будет равна Vуд = wб ( R б - R бич )Cos (90 - a 0 ), (15) или Vуд = wб (R б - R бич )Sina 0. (16) Как следует из выражения (14), эта скорость будет зависеть от угловой скорости барабана, расстояния от центра барабана до центра окружности профиля бича и от угла контакта 0. Исходя из рекомендаций для обмолота гороха при линейной скорости 15 м/с, угловая скорость барабана при диа метре, равном 550 мм, составит 54,5 рад/с.
Окружную скорость центра окружности бича и барабана определим по формулам Vуд Vбич =, (17) Cos(90 - a 0 ) Vбич Vбар = ( R б + R бич ). (18) R б - R бич Графическая интерпретация зависимости (14) при wб = 54,5 рад/с и угле 0, равном 0, 10, 15, 20, 24, 30 и 360, приведена на рисунке 4.
скорость в направлении удара, V м/с 7, 6, 4, 4, 3, 2, 0 10 20 30 угол контакта, град.
Рисунок 4 - Зависимость линейной скорости барабана в направлении удара от угла контакта с поверхностью бича Из графика на рисунке 4 следует, что линейная скорость барабана из меняется в интервале от 2,1 до 7,2 м/с.
Результаты расчетов с использованием теории Герца по определению допустимой окружной скорости барабана представлены на рисунке 5.
допустим ой скорости.
Влажность 14.5 – 16,1% Значение окружной 35 Влажность 19.5 – 20,9% Допустимая окружная скорость 30 Влажность 24.2 – 26,2% Vбар м/с 25, 25 22, барабана, м/с 16, 15,5 15, 15 13, 11, 10, 10 9,3 8, 7, 6, 5, 5 4, 0 10 20 30 Угол контакта зерна с поверхностью бича, град Рисунок 5 - Зависимость окружной скорости барабана от угла контакта зерна с поверхностью бича на примере сорта гороха Шатиловский Допустимая окружная скорость барабана зависит от угла контакта зер на с бичом. Чем меньше угол контакта, тем больше допустимая окружная скорость. Максимальное значение окружной скорости при до 10. В этом случае скорость удара в направлении общей нормали минимальна, а при = 0 равна нулю.
На основании анализа работ Ф. Кайфаша, М. Хорвата и Е.И. Трубилина нами предлагается понятие энергетического порога повреждаемости зерна, равного тому количеству поглощённой (абсорбируемой) материалом энер гии, при котором внутри материала возникает критическое напряжённое со стояние, вызывающее разрушение зерна.
Для определения эффективности покрытия барабана упругим материа лом, с целью снижения дробления зерна, достаточно определить количеству ударов бича по зерну, ведущих к достижению энергетического порога. При нимаем допущение, что при каждом ударе происходит одна и та же потеря кинетической энергии или, что одно и то же, - величина накопления абсорби руемой энергии. То есть, принимаем постоянными массу зерна и скорость в начале удара. Значения коэффициентов восстановления семян при ударе принимаем определенные нами ранее для двух изучаемых вариантов поверх ности: металлической и обрезиненной.
В этом случае энергетический порог разрушения зерна будет характе ризовать площадь диаграммы «нагрузка - деформация» до момента, опреде ляемого точкой разрушения, то – есть энергетический порог определяется как площадь треугольника Эп = h д Р р, (19) где Эп - энергетический порог, Дж;
h д - величина деформации до точки нача ла разрушения зерна, м;
Р р - усилие разрушения, Н.
Потерю кинетической энергии при единичном ударе можно определить из известного выражения m (1 - e) DЭ оу = - (V - J) 2, (20) 2 1+ e где DЭ оу - потеря кинетической энергии при однократном ударе, Дж;
m масса одного зерна, кг;
- коэффициент восстановления при ударе по сталь ному листу или обрезиненному;
V - скорость зерна в конце удара, м/c;
J скорость зерна в начале удара, м/с.
Количество ударов по зерну до накопления энергетического порога можно определить как ЭП n=, (21) DЭоу где n - количество ударов до накопления энергетического порога.
Для примера воспользуемся данными, определенными нами ранее экс h д = 2,36 10 -3 м, Р = 592,5Н ;
m = 0,0025кг ;
для рези периментально:
ны e 2 = 0,75 ;
для стали e1 = 0,66 ;
J = 7м / с.
По формуле (19) имеем:
ЭП = 0,00236 592,5 = 0, 699 Дж, По формуле (20) при e1 = 0,66 :
0,0025 (1 - 0,66) (7 0,66 - 7) 2 = 1,45 10 -3 Дж, DЭ оу = - 1 + 0, при e 2 = 0,75 :
0,0025 (1 - 0,75) (7 0,75 - 7) 2 = 0,547 10 - 3 Дж.
DЭ оу = - 1 + 0, Количество ударов до накопления энергетического порога для стально го барабана:
0, п= = 482, 0, Для обрезиненного барабана:
0, п= = 1277.
0, Таким образом, снабжение барабана упругим защитным слоем более чем на порядок увеличивает количество ударов до разрушения зерна.
Определим оптимальные параметры процесса обмолота зернобобовых культур на примере гороха и фасоли. В качестве параметра оптимизации принимаем дробление зерна, а ограничивающим параметром – недомолот зерна.
При уборке семян гороха и фасоли рекомендуемые зазоры в рабочей щели молотильного аппарата зерноуборочного комбайна составляют: на вхо де 28 мм, а на выходе 14 мм. Оставляем этот параметр без изменения. В этом случае требуется определить только два параметра: частоту вращения моло тильного барабана и подачу обмолачиваемой массы в молотильный аппарат.
Принимаем полнофакторный эксперимент 23.
Исследование проводилось на двухсекционном молотильном стенде.
Использовалась только одна секция, оснащенная подбарабаньем с рабочей поверхностью, выполненной по спирали Архимеда и обрезиненным моло тильным барабаном.
В качестве материала исследований использовался горох сорта Легион урожая 2007 г. Влажность зерна варьировала в интервале 11,2…13,8 %.
Уровни и интервалы варьирования выбранных факторов приведены в таблице 4.
Таблица 4 Уровни и интервалы варьирования факторов Факторы в натуральном Факторы в кодированном виде виде Уровни факторов n, мин-1 Q, кг/с X1 X Основной 450 4,5 0 Верхний 500 5,0 +1 + Нижний 400 4,0 -1 - Интервал варьирования 100 0,5 1 В результате регрессионного анализа получено следующее уравнение Y = 1,61 + 0,1833X1 + 0,0167X2 – 0,2833 X1 – 0,28333 X 2.
(22) Дисперсия адекватности равна 0,1636 при числе степеней свободы f = 3. Расчетное значение критерия Фишера Fр = 3,0675 F0,05;
3;
18 = 3,16.
Следовательно, модель (22) адекватно описывает процесс дробления зерна. Дисперсия коэффициентов регрессии равна 0,198. Отсюда величина доверительного интервала составит DbJ = +0,1982,1=0,4158.
Следовательно, все коэффициенты значимы.
Поверхность отклика уравнения (22) представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 - Дробление зерна гороха при обмолоте обрезиненным барабаном Для определения значений факторов, при которых функция (22) дости гает экстремума (в данном случае минимума), необходимо взять частные производные по Xi и, приравняв их нулю, решить полученную систему урав нений.
dY = 0,1833 - 0,5666X1 = 0, dX1 (23) dY = 0,0167 – 0,5666X2 = 0.
dX Решениями системы уравнений (23) являются следующие значения X1 = -0,32;
X* = -0,03 или в натуральных единицах n =428 мин-1 и Q = 4,485 кг/с.
* Подставив полученные данные в уравнение (23), получим минималь ное значение дробления зерна 1,54 %.
Для определения области допустимых диапазонов изменения изучае мых факторов построим двумерные сечения поверхности отклика, или линии равного выхода – рисунок 7.
Рисунок 7 - Линии равного выхода дробления семян гороха при обмолоте обрезиненным барабаном Сечения построим методом подстановки значений факторов Х1 и Х2 в уравнение (22) при фиксированных значениях Y.
Из графика на рисунке 5 следует, что дробление зерна менее 2 % дос тигается при изменении исследуемых факторов в следующих интервалах:
n = 400…492 мин-1 и Q = 4,0…5,0 кг/с.
Недомолот зерна во всех точках опыта был менее одного процента, что допускается агротехническими требованиями. Поэтому данный параметр на ми не анализировался.
Нами был поставлен отдельный опыт для оценки посевных качеств вымолоченных семян гороха сорта Легион и фасоли сорта Баллада. Влаж ность зерна составляла: гороха – 12,3 %, фасоли – 12,9 %. Результаты опытов представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Результаты эксперимента по оценке посевных качеств об молоченных семян гороха и фасоли Культура Параметр Горох сорта Легион Фасоль сорта Баллада повторности среднее повторности среднее Дробление зерна, % 2,1 2,0 1,6 1,9 1,8 2,1 2,4 2, Недомолот зерна, % 0,6 1,2 0,6 0,8 0,8 0,6 0,7 0, Всхожесть семян, % - - - 93 - - - Из анализа данных таблицы 5 следует, всхожесть семян отвечает тре бованиям, предъявляемым к семенам зернобобовых культур первого класса.
В четвертом разделе «Экономическая эффективность модернизации молотильного аппарата зерноуборочного комбайна для уборки гороха на семена» представлен расчет экономической эффективности модернизации молотильного аппарата зерноуборочного комбайна Сампо-500 для уборки гороха.
Расчет был выполнен по результатам внедрения модернизированного комбайна Сампо-500 в ГНУ КНИИСХ в 2006 году. Чистый дисконтирован ный доход от капиталовложений в модернизацию зерноуборочного комбайна Сампо-500 составил 55172 руб. Индекс доходности капиталовложений соста вил 0,85 при сроке окупаемости 3,2 года.
Общие выводы 1. Основным источником дробления зерна гороха в зерноуборочном комбайне является молотильный аппарат. Дробление зерна, выделившегося под подбарабаньем (75 % от общей массы), составляет 3,8 %, а дробление зерна, прошедшего через зазор на выходе из рабочей щели (25 % от общей массы), достигает 12,5 %. Общее дробление зерна молотильным аппаратом составляет 6,0 %.
2. Рабочую поверхность подбарабанья молотильного аппарата следует выполнять по спирали Архимеда, что в среднем снижает дробление зерна на 20…30 % при частоте вращения барабана от 250 до 500 мин-1, на недомолоте зерна это не отражается.
3. Коэффициент восстановления зерна гороха при ударе составляет: о стальную поверхность - 0,66;
об обрезиненную поверхность – 0,75.
4. Разрушение зерна гороха при статическом сжатии и расположении плоскости разъема семядолей перпендикулярно нагрузке происходит в ин тервале 570…600 Н, а при расположении плоскости разъема семядолей па раллельно нагрузке – в интервале 420…450 Н.
5. Допустимая окружная скорость барабана увеличивается при умень шении угла контакта зерна с бичом. Максимальное значение окружной ско рости наблюдается при =10.
6. Молотильный барабан, с обрезиненной рабочей поверхностью, при частоте вращения 400…492 мин-1, подаче семян 4,0…5,0 кг/с и зазорах моло тильной щели: на входе 28 мм и на выходе 14 мм, обеспечивает дробление зерна менее 2 %.
7. Чистый дисконтированный доход от капиталовложений в модерни зацию комбайна Сампо-500 составил 55172 руб. При уборке 20 га дополни тельные капиталовложения в размере 65170 руб. окупятся за 3,2 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих ра ботах:
1. Брусенцов А.С. Экспериментальное определение коэффициента вос становления зерен и семян сельскохозяйственных растений /А.С. Брусенцов, А.Н. Павленко // Студенчество и наука. - Краснодар: КГАУ, 2002. - С. 378-381.
2. Брусенцов А.С. К вопросу возможности уборки гороха прямым ком байнированием./ А.С Брусенцов, В.В. Куцеев // Материалы 4–ой научно практической конференции молодых учёных. – Краснодар: КГАУ, 2002. – С. 231 – 233.
3. Брусенцов А.С. Определение коэффициента восстановления гороха при ударе о металл / А.С. Брусенцов // Труды 4-й международной конферен ции молодых ученых и студентов. – Самара: ПМАН, 2003. – С. 10 – 13.
4. Брусенцов А.С. Уборка гороха на зерно прямым комбайнированием.
Рекомендации / В.Н. Александров, С.И. Шаталов, Е.И. Трубилин, Куцеев В.В.,...А.С. Брусенцов и др. // Краснодар: КГАУ, 2003. – 36 с.
5. Брусенцов А.С. К аналитическому способу определения зазоров ме жду планками подбарабанья и бичами барабана / А.С. Брусенцов, В.В. Куце ев // Материалы 6–ой научно-практической конференции молодых учёных. – Краснодар: КГАУ, 2004. – С. 204 – 205.
6. Брусенцов А.С. Условие затягивания массы в молотильный аппарат/ А.С. Брусенцов, Кравченко В.С. // Материалы научной конференции факуль тетов механизации, энергетики и электрификации. – Краснодар: КГАУ, 2005.
– С. 56 – 59.
7. Брусенцов А.С. Обоснование угла установки рифа на биче для обмо лота гороха/ А.С. Брусенцов// Материалы 7–ой научно-практической конфе ренции молодых учёных. – Краснодар: КГАУ, 2005. – С. 236 – 237.
8. Брусенцов А.С. Снижение дробления зерна барабаном с упругим по крытием / А.С. Брусенцов // Журнал «Механизация и электрификации с сель ского хозяйства» М. 2007 № 4. С. – 35–36.
9. Пат. 2250595 РФ RU С1 А01 F 12/18, 12/20 Способ переоборудова ния барабана бильного молотильного устройства / КубГАУ авт. Е.И. Труби лин, Брусенцов А.С., Куцеев В.В., Кравченко В.С., Брежнев А.В. – Заявл.
01.09.2003, № 2003131345;
Опубл. 27.04. 2005, Бюл. № 12.
10. Пат. 2262831 РФ RU С1 А01 D 91/04, 45/24 Способ уборки гороха и устройство для его осуществления / КубГАУ авт. Брусенцов А.С., Карпенко В.Д., Куцеев В.В., Кравченко В.С., Брежнев А.В. – Заявл. 24.03.2004;
Опубл.
27.10.2005. – Бюл. № 30.
11. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610520 Определение коэффициента восстановления семян / КубГАУ авт. Брусенцов А.С., Кравченко В.С. и Цыбулевский В.В. – Заявл. 31.12.2004, № 2004612762;
Зарегистрир. 25.02.2005.
12. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612047 Определение зазоров между планками подбарабанья и бичами барабана в зависимости от угла поворота барабана /КубГАУ авт. Брусенцов А.С., Куцеев В.В., Цыбулевский В.В. – Заявл.14.06.2005, № 2005611438;
За регистрир. 12.08.2005.
13.Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612050 Определение координат центра окружности подбарабанья / КубГАУ авт. Брусенцов А.С., Куцеев В.В., Цыбулевский В.В. – Заявл.
14.06.2005, № 2005611441;
Зарегистрир. 12.08.2005.