Разработка ресурсосберегающих процессов очистки и обмолота початков семенной кукурузы
На правах рукописи
ПЕТУНИНА Ирина Александровна
РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ
ОЧИСТКИ И ОБМОЛОТА ПОЧАТКОВ СЕМЕННОЙ КУКУРУЗЫ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Краснодар – 2009 2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (КубГАУ)
Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Маслов Геннадий Георгиевич
Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Липкович Эдуард Иосифович доктор технических наук, профессор Жалнин Эдуард Викторович доктор технических наук, профессор Плешаков Вадим Николаевич
Ведущая организация - ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ГНУ ВНИПТИМЭСХ), г. Зерноград.
Защита состоится «18» февраля 2009 года в 1000 на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета электрификации сельского хозяйства, ауд. № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».
Автореферат размещен на сайте www.kubagro.ru Автореферат разослан … ………….. 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор С.В. Оськин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. К настоящему времени производство куку рузы занимает практически первое место в мире среди зерновых, превышая валовые сборы зерна пшеницы и риса. Общая потребность России в семе нах кукурузы составляет 80100 тыс. тонн (из них на зерно 1012 тыс. т) и отечественными производителями не обеспечивается из-за сложившегося низкого уровня технического оснащения.
В технологиях послеуборочной обработки кукурузы ключевыми являются процессы очистки и обмолота початков. На сегодняшний день не существует машины, обеспечивающей съем оберток с початков кукурузы с полным со блюдением исходных требований. А в Российской Федерации отсутствует производство очистителей початков и не предложены технические решения для обработки малых партий. Для различных моделей молотилок семенной кукурузы характерны: необходимость заполнения всего объема молотильной камеры;
повторный обмолот початков;
низкая производительность;
частич ная разборка для очистки рабочей камеры. Поэтому современные молотиль ные аппараты также не обеспечивают получение семенного материала, от вечающего в полной мере исходным требованиям.
Обобщенный анализ состояния вопроса совершенствования послеубо рочной обработки початков семенной кукурузы позволил сформулировать научную проблему, которая состоит в разработке принципиально новых ре сурсосберегающих технических решений для процессов очистки и обмоло та початков кукурузы, максимально учитывающих их особенности и спе цифику съема оберток и выделения зерновок в процессе непрерывного кон такта с рабочими органами, опирающихся на более глубокое исследование некоторых физико-механических свойств початков.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы и темати ческого плана НИР Министерства сельского хозяйства. Исследования вклю чены в планы НИР Кубанского государственного аграрного университета:
на 19911995 гг. по теме 29.6 ГР01910049840, на 19962000 гг. по теме 8 ГР 01960009007, на 20012005 гг. по теме 11 ГР 01200113467 и на 20062010 гг. по теме ГР 01.2006 06833.
Цель исследований – обоснование параметров и ресурсосберегающих режимов работы трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков семенной кукурузы.
Объекты исследований – процессы очистки и обмолота початков куку рузы;
рабочие органы, макетные и экспериментальные образцы разрабаты ваемых технических средств.
Предмет исследований – выявление закономерностей влияния конст руктивных, кинематических и динамических параметров на технологические процессы очистки от оберток и обмолота початков кукурузы.
Методика исследований. Методологической основой решения сформу лированной проблемы является вариант триадной системы, в которой продукт и машина рассматриваются на одном уровне и при одновременном взаимном влиянии друг на друга.
При решении вопросов взаимодействия рабочих органов как початко очистителя, так и молотилки с початками приняты основные положения классической теории деформации тел в местах контакта.
Теоретическое решение вопросов процессов очистки и обмолота почат ков выполнено с использованием основных положений теории упругости и специальных разделов теории дифференциального и интегрального исчисле ния, графо-аналитических методов.
Физико-механические свойства початков кукурузы исследовались с ис пользованием общих, а также частных теоретических и прикладных методик.
При выполнении экспериментальных работ применен метод математиче ского планирования многофакторного эксперимента. Аппроксимация и обра ботка экспериментальных данных выполнены с использованием пакета при кладных компьютерных программ.
Оценку технического уровня разрабатываемых аппаратов выполняли пу тем сопоставления системы параметров с промышленными аналогами по обобщенным технико-экономическим показателям, а также при помощи ин тегральных показателей.
Научная новизна результатов исследования заключается в уточне нии теоретико-экспериментальных и методологических аспектов процессов очистки и обмолота початков кукурузы вальцовыми аппаратами и установ лении аналитических зависимостей:
деформации слоя оберток и усилий разрыва и отделения оберток при съеме пакетом с початка от действия распределенных сил и параметров по чатков и рабочих органов и величин их деформаций;
деформации слоя зерновок и усилий разрушения связи зерновок со стержнем початка от действия распределенных сил;
углов затягивания в трехвальцовом аппарате неочищенного початка и початка со снятыми обертками от геометрических параметров и деформаций початка и рабочих органов;
величины зазора в трехвальцовых аппаратах для очистки и обмолота початков кукурузы от величины деформации пакета оберток и слоя зерновок;
пути проката оберток, снятых единым пакетом с початка, от геометри ческих параметров и деформаций початка и рабочих органов;
числа выделенных зерновок от морфологических характеристик по чатка кукурузы;
коэффициентов восстановления зерновок при непрямом ударе от ско рости и угла соударения.
Новизна технических решений очистки початков подтверждается патен тами № 2111644 и № 2112349, обмолота початков патентом № 2319336 и ли нии по обмолоту семенного материала кукурузы патентом № 2171023.
Практическую ценность работы представляют: методика классифи кационного выбора для исследований показателей физико-механических свойств початков кукурузы;
статистические данные по физико-механическим свойствам початков кукурузы;
методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы, осно ванные на результатах теоретико-экспериментальных исследований;
конст руктивно-компоновочные схемы очистительного и молотильного блоков;
ис ходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмолота по чатков кукурузы;
комплект программ и алгоритмов по расчету параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;
учеб ные пособия.
Реализация результатов диссертационных исследований. Результаты исследований приняты и используются Ассоциацией производителей семян кукурузы (Краснодарский край);
Департаментом сельского хозяйства и про довольствия администрации Краснодарского края технические решения включены в «Системы ведения агропромышленного производства Красно дарского края на 2008-2010 гг.»;
ГНУ «Кабардино-Балкарский научно исследовательский институт сельского хозяйства» Россельхозакадемии ре комендованы к внедрению усовершенствованные рабочие органы и техноло гия очистки и обмолота початков кукурузы на предприятиях Кабардино Балкарской республики;
результаты исследований внедрены ГНУ КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко.
Учебные пособия (гриф МСХ РФ) и монографии используются в учеб ном процессе агроинженерных и экономических факультетов ряда ВУЗов России.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложе ны в период с 1998 по 2008 год и получили официальное одобрение на научных форумах: научно-технических и учебно-методических конференциях КубГАУ, международных конференциях «Образование. Экономика. Ин форматика.» (Астрахань, 2003 г.), «Математика. Компьютер. Образование»
(Дубна, 2004 г.), «Математика. Экономика. Образование» (Ростов-на-Дону, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития высшего образования» (Сочи, 2006 г.), Всероссий ской научно-практической конференции «Эколого-экономические пробле мы на современном этапе развития общества» (Пятигорск, 2003 г.).
Теоретические исследования результатов диссертационных исследо ваний удостоены следующих наград: бронзовая медаль «Гордость науки Кубани» и диплом степени Краснодар, 2005 г., диплом лауреата кон курса фонда развития отечественного образования Сочи, 2007 г., почет ная грамота Департамента образования и науки Краснодарского края Краснодар, 2005 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной лите ратуры, который включает 313 использованных источников, в том числе иностранных и приложений. Диссертация изложена на 329 страницах основно го текста, содержит 124 рисунка и 11 таблиц.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 47 ра ботах, в том числе 7 в журналах «Техника в сельском хозяйстве» и «Механиза ция и электрификация сельского хозяйства». По результатам исследований по лучено 4 патента, 2 свидетельства на программное обеспечение (свидетельст во № 2008612672 и № 2008612673), вошедшие во Всероссийский фонд алго ритмов и программ.
На защиту выносятся основные положения диссертации:
аналитическое обоснование технических средств для очистки и обмо лота початков кукурузы;
методика выбора показателей физико-механических свойств початков кукурузы и результаты их теоретико-экспериментальных исследований;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию геометрических, кинематических и технологических парамет ров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;
методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;
исходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмо лота початков кукурузы;
предложения по совершенствованию технических средств очистки и обмолота початков кукурузы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность проблемы, научная новизна, из ложены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены значение кукурузы для народного хозяйст ва, состояние изученности анатомических, морфологических и физико-меха нических свойств початков кукурузы. Предложены классификации очисти тельных и молотильных аппаратов и указаны возможные направления даль нейшего совершенствования технологических процессов очистки и обмолота початков кукурузы.
Физико-механические свойства кукурузы изучали М.Ф. Бурмистрова, А.И. Буянов, И.Т. Осьмак, А.Ф. Соколов, В.С. Кравченко, Н.Н. Шатилов, В.С. Курасов, К.В. Ульрих и другие ученые. Установлено, что, несмотря на многообразие и большой объем накопленных данных по физико-механичес ким свойствам, существует целый ряд нерассмотренных вопросов. К настоя щему времени такими учеными как В.П. Горячкин, И.О. Василенко, Н.И. Гу ров, В.В. Деревенко, М.А. Пустыгин, Э.И. Липкович, Г.Г. Маслов, Э.В. Жалнин, Н.И. Кленин, Г.И. Креймерман, М.Г. Голик, В.С. Кравченко, В.С. Курасов, Ю.И. Мозговой, Г.А. Никитина, А.И. Пьянков, А.И. Гокоев, Т.К. Тогонбаев, Н.Н. Ульрих, К.В. Шатилов, В.В. Войцехович проведены значительные тео ретические и экспериментальные исследования рабочих органов машин для уборки и послеуборочной обработки початков кукурузы, в том числе семен ной.
Анализ предшествующих работ позволил выявить нерешенные пробле мы в механизации очистки и обмолота початков кукурузы: недостаточную изученность анатомо-морфологических особенностей початков кукурузы;
необходимость полного теоретического обоснования процессов очистки и обмолота початков кукурузы, аналитически обосновывающего новые зако номерности взаимодействия системы «растительный объект рабочие орга ны» и учитывающее анизотропность объектов обработки;
отсутствие техни ческих решений по конструкциям очистителей и молотилок, работающих с продукцией повышенной по сравнению с исходными требованиями влажно стью и сформулированы научная и рабочая гипотезы исследований.
Научная гипотеза по очистке початков переход от конструкций, в которых съем оберток с початков кукурузы носит случайный характер, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен определенному закону, возможен, если обеспечено раздельное взаимное перемещение всего пакета оберток с измененным характером облегания поверхности початка относи тельно поверхности зерновок.
Научная гипотеза по обмолоту початков переход от конструкций, в которых обмолот початков кукурузы связан с неорганизованным воздействи ем на зерновки, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен опреде ленному закону, возможен, если обеспечено перемещение слоя зерновок от носительно стержня.
Рабочая гипотеза интенсификация процессов очистки и обмолота по чатков кукурузы, обеспечивающих ресурсосбережение, достигается: мини мизацией габаритов аппаратов;
исключением неорганизованного перемеще ния початков;
обработкой початков во внутреннем пространстве, образован ном рабочими органами, при непрерывном взаимном контакте с рабочими органами;
уменьшением времени обработки початков.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
обосновать классификационный подход к выбору физико-механи ческих свойств початков кукурузы и выполнить теоретико-эксперименталь ные исследования;
теоретически исследовать процесс очистки початков кукурузы в трех вальцовом аппарате и обосновать направления его интенсификации и ресур сосбережения;
выполнить экспериментальные исследования для подтверждения ре зультатов теоретического обоснования процесса очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате;
теоретически исследовать процесс обмолота початков кукурузы в трех вальцовом аппарате и обосновать направления его интенсификации и ресур сосбережения;
выполнить экспериментальные исследования для подтверждения ре зультатов теоретического обоснования процесса обмолота початков кукуру зы в трехвальцовом аппарате;
разработать методики инженерного расчета параметров трехвальцовых очистителя и молотилки початков семенной кукурузы;
разработать проект исходных требований на трехвальцовые очисти тель и молотилку початков семенной кукурузы;
провести технико-экономическую оценку эффективности трехвальцо вых очистителя и молотилки початков семенной кукурузы.
Во второй главе приведены программа и методика определения физи ко-механических свойств гибридов кукурузы, получаемых на Кубани и наи более распространенных на территории РФ в последние годы.
Для исследования показателей физико-механических свойств предложен метод, позволяющий выбирать эти показатели по классификационной табли це в зависимости от зоны початка и характера воздействия на него рабочими органами или другими зонами початка.
Дана математическая модель формы початка кукурузы (1), позволяющая оценивать степень заполнения рабочего пространства очистительных и моло тильных аппаратов обрабатываемыми объектами где b малая полуось контура початка, м;
a большая полуось контура початка, м;
d максимальный диаметр початка, м;
x текущая координата, м.
Определены предельные значения размерных характеристик початков кукурузы, которые позволяют выбирать оптимальные габариты рабочих ор ганов: длина вальцов не менее 0,35 м (по общей и опорной длине поверх ности початка: от 1,54·101 до 2,24·101 м;
от 1,1·101 до 1,43·101 м) при усло вии вращения початка параллельно рабочим органам (по изменению объема занимаемого початком в процессе неупорядоченного перемещения: соотно шение объемов вращения початка вокруг продольной и поперечной осей 8:1, именно такое неупорядоченное перемещение приводит к сбоям в работе по чаткоочистительных аппаратов и молотилок);
максимальное расстояние меж ду касательными к поверхностям рабочих органов не более 6,0·102 м (по размерам диаметров по опорной поверхности: от 3,9·102 до 6,3·102 м);
диа метр вальцов не менее 2,8·102 м (по размерам диаметров початков).
Определены предельные значения физико-механических свойств почат ков кукурузы, которые позволяют выбирать оптимальные параметры процес сов их очистки и обмолота: моменты инерции создаваемые рабочими орга нами не менее 9,0·102 кг·м2 (по моментам инерции початка: от 1,92·102 до 8,93·102 кг·м2);
коэффициенты трения поверхностей рабочих органов по по верхностям початков не менее 0,55 (по коэффициентам трения различных пар поверхностей початков и материалов: трения покоя початков в обертках по стальной поверхности составили 0,43, по резине 0,91, початков по по чаткам 0,53;
трения движения по стальной поверхности 0,34, по резине 0,86, по початку 0,47);
усилие давления, создающее деформацию оберток до 1,6 мПа (по деформации слоя оберток: от 0,234 до 1,638 МПа);
усилие, не обходимое для разрыва пакета оберток не менее 770 Н (по усилию разрыва, отнесенному к единице длины опорной поверхности: от 100 до 767 Н/м);
усилие, необходимое для отрыва пакета оберток от початка не менее 45 Н (по усилиям отрыва листьев оберток при растяжении и кручении: от 17,1 до 191,0 Н);
профиль очистительных вальцов (по структуре листьев обертки:
шаг жилкования от 7 до 12 мкм);
кинематические параметры (по коэффици ентам восстановления зерновок кукурузы от 0,75 до 0,154 при прямом и ко сом ударах о поверхности тел на скоростях от 0,80 до 3,14 м/с).
В третьей главе рассмотрены теоретические предпосылки, позволяю щие обосновать управляемость процессов и изменение некоторых физико механических характеристик неочищенного початка кукурузы, с целью обес печения выполнения исходных требований к початкоочистительным аппара там.
В соответствии с поставленной задачей была разработана схема установ ки для очистки початков (рис. 1).
Теоретические исследования деформаций, возникающих упругих напря жений и перемещений оберток початка выполнили для случаев контакта: 1) очищаемого початка с прижимным барабаном и с направляющей;
2) обрези ненной поверхности приводного вальца, рифлёного вальца и прижимного ба рабана с очищаемым початком.
Рисунок 1 Установка для разделения и очистки початков:
1 приемный бункер;
2 вертикальный транспортер-дозатор вороха початков;
3 скатная доска;
4 делитель;
5 транспортер очищенных початков;
6 промежуточный бункер неочищенных початков;
7 вертикальный транспортер-доза тор неочищенных початков;
8 лопастной дозатор;
9 направитель початков;
10 приводной очистительный валец;
11 ведомый очистительный валец;
12 прижимной барабан с карманами;
13 упор В момент затягивания початка при съеме оберток сближение прижим ного барабана и опорной поверхности имело вид:
j d з = d в cos(j) + d п (cos (j) + 1) + dнп = d н cos(j ) + 2dп cos 2 + d нп,(2) где з – деформация прижимного барабана и опорной поверхности, м;
в – деформация ведомого вальца, м;
п – односторонняя радиальная деформация початка, м;
н – деформация нижнего вальца, м;
нп – деформация направляющей поверхности, м;
При снятии оберток с початка сближение прижимного барабана и отры вочных вальцов за счет деформации составило:
1 d п + d пp d п + d в 2d + d пр + d в = dб + d п + п d сн = d б + d п + + 2 cos(g ) cos(g ), (3) 2 cos(g ) где сн – сближение центров осей прижимного барабана и вальцов, м;
б – деформация прижимного барабана, м;
пp – деформация приводного вальца, м;
– угол давления, град.
В результате анализа полученных зависимостей установили, что дефор мация початка в пределах упругости приводит к изменению формы попереч ного сечения самого початка и пакета оберток и, соответственно, к увеличе нию площади контакта. Величина деформации початка и пакета оберток прямо пропорциональна напряжению. Она зависит от прочностных характе ристик, жесткости, размеров початка и рабочих органов.
Аналитическое исследование деформации оберток дало возможность оценить величину перемещения в радиальном и тангенциальном направлени ях (рис. 2 и 3) Рисунок 2 Силы, действующие Рисунок 3 Перемещения оберток при на обертки при защемлении прокате початка в очистительном блоке [ ] ( () ) (()) k1g Prп hd (j ) = - k3g cos g1 + sin(j ) - k 4 g sin g1 - 1 cos(j ), (4) EJ k1g Prп [k3g (cos(g1 ) - cos(j)) - k 4g (sin(g1 ) - 1) sin (j )], x(j) = (5) EJ где h радиальная деформация оберток початка, м;
d x тангенциальная деформация оберток початка, м;
k1, k3, k4 коэффициенты, характеризующие углы давления 1, 2;
Р усилие прижатия початка к вальцам, Н;
rп радиус початка, м;
Е модуль упругости оберток, Па;
J момент сопротивления сечения слоя оберток, м4;
угол дуги между контактными точками, град.
Полученные выражения для перемещений d и справедливы в интер вале для угла от 0 до.
При воздействии разновеликими рабочими органами с центрами кривизн, отстоящими на различных расстояниях как друг от друга, так и от центра об рабатываемого початка, его поверхность деформируется и принимает слож ную форму (рис. 4).
Рисунок 4 – Зависимость радиальной d (1) и тангенциальной (2) деформаций слоя оберточных листьев от угла с постоянными Р = 175 Н, d = 50 мм, Е = 6,5·108 Па и J = 4.5·10-10 м Определение угла затягивания початка в рабочую щель выполнено графо-аналитическим методом (рис. 5) Рисунок 5 Схема затягивания початка в трехвальцовом очистительном блоке rб + d * -rп j = arccos, (6) rб + rп где угол затягивания;
rб радиус прижимного барабана, м;
d* зазор в очистительном блоке, м;
rп радиус початка, м.
Выражение (6) позволило определить угол затягивания, который образу ется между рабочими органами и початком. Для принятой схемы очисти тельного аппарата с учетом радиусов вальцов (rб = 0,175 м, rпp = 0,0355 м, rв = 0,028 м) были выполнены расчеты для значений зазора d*. В результате анализа полученных данных определили, что при зазоре между прижимным барабаном и плоскостью скольжения, равном диаметру початка, очистка последнего не происходит, так как он только касается этих поверхностей.
Величина зазора DE = d* между очистительными вальцами и прижим ным барабаном определялась по формуле:
2 rв rп + rп2 - m d* = + rп - d, (7) 2 rв где rв радиус ведомого вальца, м;
1 - rв + rв rп + rв rпр - rпр rп m = 2r + 2rв rп + r - 2rв (rв + rп ) 2 2 (rв + rп )(rв + rпр ) в п ;
(8) 2 rпр rв 2 rпр rв rв2 + rв rп + rв rпр - rпр rп - 1 (rв + rп )(rв + rпр ) rпр + rв rпр + rв rпр радиус приводного вальца, м.
Длина дуги прижимного барабана, необходимая для очистки одного по чатка, составляла:
p (rп - d п ) j (((((( + 360 (rп - 2d п ) + rп ( A1 + A2 ), S = S 0 + S1 + S 2 + S 3 + S 4 = l 180 (9) ( где S 0 длина дуги на участке загрузки початка в очистительный блок, ( p (rп - d п ) j S0 = ;
( S1 длина дуги, на которой происходит возвращение початка в исходное положение p 1 - l ( (rп - d п ) j S1 =, l ( S 2 длина дуги прижимного барабана, на которой происходит съем ( оберток, S 2 = 2 p (rп - 2 dп ). м;
( ( S3 длина дуги барабана, на которой располагается карман S 3 = А1 rп,м;
где А1 коэффициент, учитывающий размерные характеристики початка;
( S 4 длина дуги прижимного барабана нейтрального участка, ( S 4 = A2 rп, м;
А2 – поправочный коэффициент, учитывающий перекатывание к карма ну очищенного початка.
Диаметр прижимного барабана определили как:
( S nк d=, (10) p где d диаметр прижимного барабана, м;
nк число карманов на барабане, шт.
Время полного цикла обработки початка при съеме оберток составило:
( S T=, (11) vб где T время обработки одного початка, с;
vб линейная скорость прижимного барабана, м/с;
кинематический коэффициент.
Производительность очистительного аппарата определили как:
Q = 0,06 a1 nб nк m, (12) где Q производительность очистительного аппарата, т/ч;
1 коэффициент использования очистительного аппарата;
m масса початка, кг.
Баланс мощности на съем оберток составил:
Nоч = Nдеф + Nпр + Nотр, (13) где Nоч мощность на съем оберток пакетом, Вт;
Pв d сн Nдеф мощность на деформацию оберток, N деф =, Вт, T f к где Рв усилие поджатия ведомого вальца, Н;
Т время очистки одного початка, с;
f коэффициент трения качения пары валец-початок;
Nпр мощность на прокат оберток, N np = Pб vб f к,Вт, где Рб усилие прижатия барабана, Н;
Роб prб Nотр мощность на отрыв оберток пакетом, N тт =,Вт, Т где Роб усилие отделения пакета листьев обертки, Н;
Т2 время съема пакета оберточных листьев, с.
Мощность электродвигателя для привода очистительного аппарата опре делена из выражения N эл = 1,25(N оч + N xx ), (14) где N эл мощность, необходимая для привода очистительного аппарата, Вт;
Nxxмощность холостого хода, Nxx = 0,25Nоч, Вт.
С учетом проведенных исследований, установили, что основными на правлениями ресурсосбережения процесса очистки початков кукурузы явля ются:
разработка конструкции, принцип которой может быть использован как в линиях, так и для очистки малых партий початков кукурузы;
снижение материалоемкости за счет минимизации габаритов аппарата;
обеспечение устойчивости технологического процесса очистки почат ков за счет создания индивидуального рабочего пространства для каждого початка;
повышение надежности процесса за счет постоянного контакта почат ка с тремя поверхностями рабочих органов и обработки без продольного пе ремещения по рабочим органам;
рост энергонасыщенности процесса очистки в результате использова ния принципа съема оберток единым пакетом.
В четвертой главе даны программа и методика исследований процесса очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате.
Исследование деформации оберток при прокате отрывочными вальцами проводилось методом моделирования процесса на лабораторной установке.
Усилие прижатия от 85 до 550 Н создавалось в трехвальцовом блоке очисти тельного аппарата прижимным вальцом. Верхний предел усилия прижатия был меньше значения разрушающей силы початка.
При проведении исследований съема оберток использовались как стан дартные резиновые втулки вальцов диаметром 71 мм, так и стальные вальцы с рифленой поверхностью диаметром 58 мм и гладкие диаметром 86 мм.
В процессе исследований было установлено, что стальные гладкие не подхо дят для процесса съема оберток пакетом. Поэтому в дальнейшем использова лись только вальцы с резиновыми втулками и рифленые.
Установлено, что при нагружении внешними силами початка происходит деформация в несколько этапов. Сначала деформируются листья обертки, затем наступает разрушение связи зерновок со стержнем, и они начинают выдавливаться, а затем происходит разрушение стержня початка. Сложность точного решения контактной задачи при одновременном действии на поча ток нормальных и касательных сил, заставила ограничиться ее приближен ным решением. Основное допущение приближенного решения заключалось в том, что для нормальных сил сохранялся эллипсоидальный закон распре деления по площади контакта, а касательные были пропорциональны нор мальным. Отношение касательных к нормальным силам приняли величиной постоянной, равной коэффициенту трения.
Влияние касательных сил сказывается в постепенном приближении точ ки с наибольшим касательным напряжением из глубины к поверхности со прикасающихся тел и в росте величины этого напряжения параллельно с уве личением значения коэффициента трения.
Расчетное значение полоски контакта без учета давления определили из выражения:
x x bx S n = 2 a - x 2 dx = ab arcsin + 2 a 2 - x 2, (15) a a a где Sn – полоска контакта вальца с початком, м2;
a – малая полуось эллипса контакта, м;
b – большая полуось эллипса контакта, м;
x – текущая координата малой полуоси эллипса контакта, м.
Экспериментально определили, что с увеличением давления со стороны рабочего органа на початок абсолютное удвоенное значение большой оси эл липса приближается к длине опорной поверхности початка. Так, если при на грузке 85 Н оно составляло 64% при контакте с обрезиненным вальцом и со стальным, то при давлении 550 Н оно составляло 94% для обрезиненно го и 76% для стального. Необходимо отметить, что на значение величины размеров контактной поверхности влияют также физико-механические свой ства контактирующих тел. Резина более эластична, и ее показатели соизме римы с показателями початка в обертке. За счет большей деформации обре зиненных поверхностей вальцов увеличивается поверхность контакта.
Что касается ширины полоски контакта, равной удвоенному значению длины малой оси эллипса, то она при увеличении давления от 85 до 550 Н удваивается, и это способствует более интенсивному «вспучиванию» обер ток початков между точками давления.
Исследование давления и кинематики привода на процесс съема оберток пакетом позволило установить следующее. С увеличением поджатия початка от 52,5 Н при = 1,385 Н до 550 Н при = 0,72 количество оборотов вокруг оси, которое совершает початок при съеме с него оберток, уменьшается с 3,78 до 0,68. Необходимо отметить, что при = 1,385 и усилии 52,5 Н коли чество оборотов початка, совершаемое вокруг оси, колеблется от 12 до 1,5.
Все это говорит о неустойчивости процесса. При этом некоторые початки, проходя через початкоочистительный аппарат, перекатывались по вальцам и не освобождались от оберток. При = 1 отмечались случаи, когда один или несколько листьев обертки закручивались вокруг початка, и в таком поло жении он продолжал вращаться, не освобождаясь от оберток. Технологиче ский процесс съема оберток осуществляется в заданном режиме, т. е. за один оборот (и меньше) початка вокруг своей оси при значениях 1.
Эмпирические зависимости числа оборотов початков вокруг своей оси от усилия поджатия к отрывочным вальцам в процессе проката в очистительном аппарате составили:
для ведомого обрезиненного вальца - noб = 1,4 Р -1,05.10, при = 0,72 (16) для стального рифленого вальца - при = 1,385 n1,385 = 13P -3,1210, (17) - при = 1,154 n1,154 = 7,725 Р - 2,788.10, (18) - при = 1,0 n1,0 = 4,257 Р - 2,159.10, (19) - при = 0,867 n0,867 = 3,062 Р -1,976.10, (20) - при = 0,72 n0,72 = 1,768 Р -1,51.10. (21) Уменьшение значения кинематического коэффициента с одновременным усилением поджатия очищаемых початков к вальцам приводило к улучше нию протекания технологического процесса. Сокращение числа оборотов по чатка при съеме оберток дало право сделать выбор в пользу режима = 0, и усилия поджатия початка P = 550 H. Это гарантировало уменьшение габа ритов аппарата и увеличение производительности при соблюдении исходных требований к очистке початков.
Усилия отделения листьев оберток определяли для приводного отрывоч ного вальца с резиновыми втулками и ведомых стального рифленого и со со стандартными резиновыми втулками.
Для стального рифленого вальца среднее значение величины разрыва со ставляло 52,61 Н, максимальное 158 Н, минимальное 25 Н.
Для вальца со стандартными резиновыми втулками среднее значение было 41,11 Н, максимальное 130 Н, минимальное 20 Н.
Таким образом, для процесса очистки предпочтительно сочетание валь цов с обрезиненной поверхностью и рифленых с шагом жилкования на ли стьях обертки.
Процесс съема оберток с початков полной спелости представлены на ри сунках 6 и 7.
Уточнение основных параметров початкоочистительного аппарата вы полнили методом планирования эксперимента. После реализации матрицы планирования были определены коэффициенты регрессии и получено урав нение:
nоч = 0.972 - 0,058 P - 0.275 l - 0.042 f + 0.0125 P f + 0.025 P v + + 0.375 l f - 0.125 f v - 0.0261 P 2 + 0.124 l2 + 0.0114 f 2 + 0.0114 v (22) Рисунок 6 а Рисунок 6 б Рисунок 6 в Рисунок 6 г Рисунок 6 д Рисунок 6 Съем оберток Рисунок 7 Очищенный с початка полной спелости початок с пакетом снятых оберток В результате предварительного анализа установлено, что основными факторами, влияющими на процесс очистки початков, являются усилие под жатия, кинематический коэффициент и коэффициенты трения. Поэтому был проведен полный анализ всех шести двумерных сечений поверхностей от кликов, характеризующих качество очистки початка по числу оборотов его вокруг своей оси при съеме оберток в зависимости от: прижатия к вальцам Р и кинематического коэффициента при коэффициенте трения f = 0,59, скорости вращения прижимного вальца v = 0,8 м/с и угле поворота осей = 0°;
Р и f при = 0,95, v = 0,8 м/с и = 9,22°;
Р и v при = 0,95, f = 0, и = 16,85°;
и f при Р = 300 H, v = 0,8 м/с и = 9,21°;
и v при P = 300 H, f = 0,59 и = 0°;
f и v при P = 300 H, = 0,95 и = 45°.
В пятой главе рассмотрены теоретические предпосылки, позволяющие обосновать управляемость процессов и изменение некоторых физико-меха нических характеристик початка кукурузы, с целью обеспечения выполнения исходных требований к молотильным аппаратам.
Изучение контактных напряжений, действующих при передаче усилий от рабочих органов молотильного аппарата на початок, необходимо для реше ния задачи сохранения целостности початка, зерновок и их зародышей, а также стержня при обмолоте.
При решении вопросов взаимодействия рабочих органов и початков ис ходили из основных положений классической теории деформации тел в мес тах контакта. Вместе с тем учитывали и возникновение касательных нагру зок, связанных с относительным скольжением в процессе выделения зерно вок.
Для обмолота початков кукурузы была разработана схема установки, представленная на рисунке 8. Установка обеспечивала захват початка, прокат его при сохранении целостности зерновок, попадающих в зазор между верх ним и нижним вальцами, передачу в молотильный блок, деформацию почат ка и его обмолот с последующей разгрузкой молотильного блока.
Теоретические исследования возникающих упругих напряжений и пере мещений зерновок выполнили для случаев контакта: 1) обмолачиваемого по чатка с прижимным вальцом и с направителем;
2) обрезиненной поверхности приводного вальца, рифлёного вальца и прижимного вальца с обмолачивае мым початком.
Приняв, что при деформации соприкасающихся тел первоначально то чечный контакт переходит в контакт по достаточно малой эллиптической площадке, а силы давления между соприкасающимися телами распределены по площади контакта по эллипсоидальному закону, получили выражение для определения перемещений зерновок при сжатии и эллипсоидальном распре делении давлений:
p0 b a w= abK - DX 12 - ( K - D)Y12, (23) a a b где w перемещение зерновок при сжатии, м;
a большая полуось контурного эллипса, м, a = aa 3 h12 PDR ;
(24) b малая полуось контурного эллипса, м, 1 1 1 1 1 b = ab h P D R ( K - D ) +, 3 3 6 6 (25) R r n р0 наибольшее давление между соприкасающимися телами, Па, 1 1 1 1 1 b = a h P D R ( K - D ) +, (26) 3 3 6 6 R r b n сближение соприкасающихся тел, м, 2 1 3 R 1 2 +. (27) ad h12 P 3 D 3 K d= + rп R 2rп Рисунок 8 Схема установки для обмолота початков:
1 приемный бункер;
2 распределитель початков;
3 горизонтальный дозатор вороха очищенных початков;
4 дозатор;
5 скатная доска;
6 направитель початков;
7 верхний молотильный валец;
8 нижний молотильный валец;
9 прижимной молотильный валец;
10 автомат управления;
11 регулирующий пружинный механизм;
12 блок пружин прижимного молотильного вальца;
13 улавливающее устройство для зерна и стержней;
14 решета;
15 рама;
16, 17, 18 кронштейны При обмолоте початка происходит непосредственный контакт рабочих органов с поверхностью зерновок. Нагрузка на початок, подлежащий обмо лоту, намного больше, чем при очистке. Сближение контактирующих тел в этом случае определили как 1 d + d н d п + d вх 2d + d н + d вх d o = d пж + dп + п + = d пж + d п + п. (28) 2 cos(g ) cos(g ) 2 cos(g ) В результате анализа полученных результатов установили, что деформа ция початка в пределах упругости приводит к изменению формы поперечно го сечения самого початка и, соответственно, к увеличению площади контак та. Величина деформации початка прямо пропорциональна напряжению.
Она зависит от прочностных характеристик, жесткости, размеров початка и рабочих органов.
Упругую линию сечения приняли в качестве замкнутого кольца, закреп ленного в молотильном аппарате. В результате защемления початка проис ходит деформация слоя зерновок с желаемым изменением формы и разруше нием связи их со стержнем, что способствует улучшению выделения их с по верхности початка. При этом усилие деформации не должно создавать на пряжений, превышающих предел упругости стержня початка. Радиальные и тангенциальные перемещения слоя зерновок определили аналогично пере мещению слоя оберток (4, 5).
Рисунок 9 Зависимость деформаций початка при обмолоте в трехвальцовом аппарате от угла 1 d радиальные деформации;
2 тангенциальные деформации Полученные выражения для перемещений d и справедливы в интерва ле для угла от 0 до. Для случая, когда происходит обмолот початка диа метром d = 0,05 м в трехвальцовом аппарате при сжатии прижимным валь цом с усилием P = 175 Н, моменте сопротивления сечения слоя зерновок по чатка J = 2,083·1010 м4, модуле упругости Е = 5·108 Па и изменении угла от 0 до 0,8· характер радиальных и тангенциальных деформаций представлен на рисунке 9.
Рассматривая схему молотильного блока, определили угол затягивания r + d * -rп j = arс cos пж r + r. (29) пж п На величину угла затягивания початка влияет значение технологическо го зазора, который предусмотрен в молотильном аппарате (рис. 10).
Для принятой схемы молотильного аппарата с учетом радиусов вальцов (rпж = 0,0355 м, rвх = 0,0355 м, rн = 0,028 м) определили углы затягивания 36,9073,40° для початков без оберток диаметром 0,030,065 м. Это соответ ствует сумме углов трения для початков без оберток о сталь и резину, т. е.
рабочие органы с резиновым покрытием обеспечат затягивание початков в рабочий зазор.
Рисунок 10 Схема к определению Рисунок 11 Схема к определению угла затягивания в молотильном блоке зазора в молотильном блоке Величина зазора в молотильном блоке составила (рис. 11):
rп2 - m12 + 2rвх rп d* = + rп - d, (30) 2rвх где rвх радиус верхнего вальца, м;
rн радиус нижнего вальца, м.
m12 = rвх + (rвх + rп ) - 2rвх (rвх + rп ) cos g;
1 - (rвх + rп ) + (rн + D + rвх ) - (rн + rп ) D + 2rвх D + 2rн D + 4rвх rн + 2 2 2 cos g = 2(rвх + rп )(rн + D + rвх ) rвх + D + rн (rвх + rп )2 + (rн + D + rвх )2 - (rн + rп )2 1 - D2 + 2rвх D + 2rн D + 4rвх rн.
+ 2(rвх + rп )(rн + D + rвх ) rвх + D + rн При обмолоте рабочие органы, включающие прижимной и молотильные вальцы (верхний и нижний), обеспечивают вращение початка с одновремен ным проскальзыванием относительно зерновой части. Это происходит за счет различия физико-механических характеристик поверхностей рабочих органов и зерновой поверхности, давления на початок и кинематики меха низма привода вальцов. Отношение линейных скоростей прижимного вальца и верхнего вальца характеризуется коэффициентом vпж l=. (31) vвх При = 1 линейные скорости прижимного, верхнего и нижнего вальцов в точке контакта равны, т. е. vпж = vвх = vн. Из этого следует, что початок, подверженный воздействию равнодействующих Rпж, уравновешен момента ми этих сил. Момент Mпж, выталкивающий початок, уравновешивается мо ментом Мвх, поэтому теоретически нижний валец не воздействует на поча ток. Однако на практике из-за неравномерности работы привода, неровности поверхности початка затягивание и обмолот осуществляются, но в целом процесс является неустойчивым.
При 1 линейные скорости прижимного, верхнего и нижнего вальцов не равны, т. е. vпж vвх = vн. Из этого следует, что початок в рабочее пространство молотильного блока не входит, а, вращаясь вокруг своей оси, продолжает катиться по поверхности верхнего и прижимного вальцов.
Таким образом, рабочим режим молотильного блока является при усло вии, когда 1.
Длина дуги прижимного вальца, необходимая для обмолота одного по чатка, составила (рис. 12):
p ((( (( rп - d п ) j) + 2 p nп ( rп - 2d п ).
S = S 0 + S1 = (32) Линейная зависимость изменения длины дуги, по которой происходит обмолот одного початка, от геометрических размеров початка свидетельству ет, что с увеличением его диаметра резко возрастает путь, необходимый для обмолота одного початка.
Рисунок 12 Схема для определения длины дуги рабочей зоны Полное время цикла для обмолота одного початка составило:
( S T=. (33) vпж Выделение зерновок из початка при обмолоте рассмотрели при условии, что характер изменения контактной силы и ускорений определяется только упругим местным смятием. При передаче внешних касательных усилий, вы званных приложенными к ним моментами, материал прижимного вальца подхо дит к поверхности контакта сжатым, а выходит из его зоны растянутым. Зер новки початка оказываются растянутыми на входе в контакт и сжатыми на выходе. Переход материалов прижимного вальца и початка кукурузы из состоя ния сжатия в состояние растяжения наблюдается на некотором участке контакта и обязательно сопровождается упругим скольжением соприкасающихся поверх ностей, что и приводит к обмолоту зерновок.
Скорость относительного перемещения vск соприкасающихся поверхностей в зоне скольжения составила:
1 ( ) vск = 0,433 d п 1,358 10 -1 ln(P ) - 3,365 10-1 f vк +, (34) r R п где vк скорость качения початка, м/с;
rп и R2 радиусы кривизны початка и вальца или прижимного вальца в точках начального касания, м.
Увеличение скорости вращения початка и рабочих органов способствует повышению скорости проскальзывания контактных поверхностей.
Зависимость мощности, затрачиваемой на перекатывание с обмолотом при упругом скольжении пары початок валец, составила 1 k с fvк P b 1 k 1 - 1 - с, + Ny = 500 rп R2 (35) f где kc коэффициент сцепления материала вальца с поверхностью початка.
В результате анализа полученных данных установили, что увеличение диаметра початка и скорости его проката приводят к увеличению затрат энергии на обмолот зерновок. Экспериментально определено, что при усилии поджатия початка 175370 Н происходит полный обмолот зерновок без по вреждения.
Движение зерновок при выдавливании вальцом, воздействующим на по чаток, рассмотрели с учетом непостоянства величины и направления началь ной скорости их движения. Величина и направление начальной скорости u движения зерновок является функцией скорости движения вальца vв, скоро сти вращения початка вокруг своей оси vп и удара, возникающего в точке контакта:
u0 = f (vв,vп, S ). (36) Рассмотрев процесс многократного соударения зерновок с поверхностя ми, получили параметрическую форму скорости движения зерновки в моло тильной камере в общем виде, а также закон движения:
cos(a m ) k vU m cos(g m )cos(a m ) = m k vU m cos(g m ) gt + 1;
U yn (37) cos(b m ) U кp cos(b m ) kv2U m sin 2 (g m )cos (a m ) + kv U m sin(g m ) cos(a m ) ;
U zn = gt 1 - (38) cos(b m ) U кp cos 2 (b m ) cos(a m ) gt 2 kvU m cos(g m ) cos(a m ) y = m kvU m cos(g m ) + t + C ;
(39) cos(b m ) кp cos(b m ) 2U 2 n gt 2 k v2U m sin 2 (g m ) cos (a m ) + k vU m sin (g m ) cos (a m ) t + z m, (40) 1 zn = U кp cos 2 (b m ) cos (b m ) 2 где С – произвольная постоянная, С = 0 при движении зерновки вдоль поло жительного направления оси Y, U y n,U z n - проекция вектора скорости на оси и Z;
U m - скорость зерновки в момент удара в точке М, м/с;
m угол отклонения начальной скорости движения зерновки после от ражения относительно оси абсцисс, м;
kv – коэффициент восстановления;
m, m – углы падения и отражения зерновки в точке M.
Анализ уравнений (3740) позволяет определить скорость и закон дви жения зерновки, количество ударов о стенки молотилки, а также основные факторы, влияющие на ее движение.
Увеличение угла от 0° до 75° приводит к уменьшению числа встреч зер новок с поверхностями рабочего пространства. Например, зерновки вышед шие с начальной скоростью 0,24 м/с при = 0°, совершают один удар при своем движении от момента выделения из початка до выхода из рабочего пространства, а при = 75° движутся без соударений.
Возрастание U0 приводит к увеличению числа ударов зерновки о стенки молотилки. Например, при скорости U0 = 0,24 м/с и = 0° зерновка соверша ет один удар, а при U0 = 1,0 м/с – два.
Увеличение kv ведет к росту числа ударов зерновок о стенки. Например, если U0 = 1,0 м/с и = 0°, то при kv = 0,4 количество ударов два, а при kv = 1,0 оно возрастает до четырех.
Обмолот кукурузы осуществляется за счет деформации початков, обеспе чивающей начальное выделение нескольких рядов зерен и сил трения, спо собствующих выделению оставшегося зерна. Поэтому общую мощность, не обходимую для обмолота, представили как Nоб = Nдеф + N тр + Nу, (41) где No6 мощность, необходимая для обмолота початка, Вт;
Nдеф – мощность на деформацию початка, Вт, Nдеф = (1,11,3)·Р·vпж, где Р – усилие поджатия прижимного вальца к початку, Р = 200650 Н;
vпж – скорость прижимного вальца, vпж = (0,720,87)·vвх м/с.
Nтр – мощность на преодоление сил трения при прокате прижимного вальца по початку, Вт, Nтp = f·P·vпж, где f – коэффициент трения, f = 0,461,08.
Мощность на холостой ход определили из выражения, предложенного М.А. Пустыгиным N xx = Awp + Bw3, p где А и В – коэффициенты пропорциональности, зависящие от геометри ческих параметров вальцов, А = 0,3·102 Н·м и В = 0,68·101 Н·м·с2;
р – угловая скорость вальцов, с1.
На основании аналитических и теоретических исследований были опре делены основные направления ресурсосбережения процесса обмолота почат ков кукурузы: разработка конструкции, принцип которой может быть ис пользован как в линиях, так и для обмолота малых партий початков кукуру зы;
снижение материалоемкости за счет минимизации габаритов аппарата;
обеспечение устойчивости технологического процесса обмолота початков за счет создания индивидуального рабочего пространства для каждого початка;
повышение надежности процесса за счет постоянного контакта початка с тремя поверхностями рабочих органов и обработки без продольного переме щения по рабочим органам;
рост энергонасыщенности процесса очистки в результате использования принципа обмолота при интенсивной предвари тельной деформации слоя зерновок с последующим выдавливанием с одно временным вытиранием при малых скоростях.
В шестой главе даны программа и методика исследований, схемы лабо раторных установок для исследования деформации початков и выделения из них зерновок, результаты исследования обмолота початков кукурузы в трех вальцовом аппарате.
Эмпирическая зависимость усилия выдавливания зерновки кукурузы от угла давления имеет вид (рис. 13):
Рисунок 13 Зависимость усилия разрушения Рв связей отдельных зерновок со стержнем от угла давления Pв = exp(- 25,48 10-3 g + 3,5384), (42) где Рв – усилие выдавливания отдельной зерновки, Н;
– угол давления, град.
Зависимости выделения зерновок при обмолоте от характера их взаимо расположения на початке представили в виде арифметической прогрессии.
Если воздействие осуществляется на первый ряд зерен, то для четного числа рядов получили:
S = (a1 + an ), n (43) где S – число выдавливаемых зерен, шт;
a1 – порядковый номер ряда, участвующего в выделении зерен;
an n-й ряд, участвующий в процессе выделения зерен;
n – число зерен, участвующих в процессе выделения, шт.
Если воздействовать на 2-й ряд зерен при четном числе рядов, то n S = (a2 + an ) + 2, (44) 2 где а2 – второй ряд зерен.
Если при обмолоте воздействие направлено на первый ряд зерен, то для нечетного числа рядов n S1 = (a1 + an ) + (n1 - 1), (45) Если при обмолоте воздействие осуществляется на второй ряд зерен, то при нечетном числе рядов число выделенных зерновок составит:
S п = (a1 + aп ) - (n1 - 1), n (46) где n1 – число парных рядов.
Определены характеристики площадки контакта початка и вальца в за висимости от усилия поджатия (табл.).
Из анализа приведенных данных следует, что с увеличением угла давле ния разрушение связи зерновок со стержнем резко уменьшается. Это под тверждается тем фактом, что процесс выделения зерновок наиболее эффекти вен при угле давления 90°. Такой процесс возможен при интенсивном контак те со скольжением. В этом случае наиболее приемлемым является аппарат, копирующий форму обрабатываемого объекта, в котором каждый початок обмолачивается при интенсивном контакте с изменением некоторых физико механических свойств.
Таблица Характеристика площадки контакта початка и резиновой по верхности вальца в зависимости от усилия поджатия Длины Сила поджатия, Н полуосей площадки кон 85 178 271 364 457 такта, м 9,75·10-2 11,70·10-2 12,95·10-2 13,65·10-2 14,25·10-2 14,75·10- 2а 1,30·10-2 1,70·10-2 2,05·10-2 2,15·10-2 2,30·10-2 2,50·10- 2b С целью выбора оптимальных технологических показателей обмолота нами были выполнены исследования влияния усилия поджатия початков к вальцам в процессе выделения зерновок из початков, зависимости процесса выделения зерновок от влажности, установлен характер выделения зерновок в зависимости от скорости при различной шероховатости поверхностей ра бочих органов молотильного аппарата.
В результате исследования влияния относительной влажности зерновок на процесс обмолота початков была установлена эмпирическая зависимость средних значений разрушения зерновок от влажности w (рис. 14) 57,022 + 21,464 ln(w) - 21,27.
c = exp (47) exp(w) Очевидно, что допустимым значением влажности можно считать интер вал до 40%.
Исследованы зависимости средних значений числа оборотов початка во круг своей оси до полного обмолота при использовании вальцов с резиновы ми втулками со средним значением коэффициента трения f = 0,9 и влажности зерна 12,414,1% при изменении усилия поджатия к вальцам от 0,2 до 1,2 кН.
При возрастании усилия поджатия к вальцам процесс плавно переходит в асимптотически приближающийся к критическому значению. Величина его лежит в пределах 2-х оборотов початка вокруг своей оси. Однако необходимо отметить, что увеличение скорости вращения вальцов ведет к ухудшению процесса обмолота. Особенно это заметно при скорости обмолота более 0,9 м/с, когда початок обмолачивается за три и более оборота вокруг своей оси. Поэтому рекомендуемая скорость обмолота может составлять до 0,81, м/с при использовании вальцов с резиновыми втулками на обработке почат ков с относительной влажностью зерновок 1114%.
Рисунок 14 Зависимость разрушения зерновок при обмолоте от влажности w Влияние скорости вращения вальцов при различных шероховатостях ра бочих поверхностей на процесс обмолота было проверено на двух типах вальцов стальных и с резиновыми втулками. Увеличение шероховатости поверхности материала вальцов приводит к интенсификации процесса выде ления зерновок, и снижению оборотов початка вокруг своей оси до двух при полном обмолоте. Поэтому для исследования обмолота были приняты шеро ховатости рабочих поверхностей от f = 0,23 для стали до f = 0,95 для резины при постоянной величине поджатия вальцов к початкам Р = 0,65 кН.
Уточнение основных параметров трехвальцового молотильного аппарата выполнено методом планирования эксперимента и получено уравнение.
nоб = 2,84 - 0,487 P - 0,404 f + 0,161v + 0,191Pf (48) - 0,162 Pv - 0,132 fv + 0,195 P 2 - 0,141 f 2 + 0,135v 2.
После канонического преобразования провели анализ с помощью дву мерных сечений поверхности отклика, характеризующих количество оборо тов початка вокруг своей оси при обмолоте в зависимости от: прижатия к вальцам Р и кинематического коэффициента при скорости вращения валь цов v = 0,9 м/с и угле поворота осей = 34,21°;
Р и v при коэффициенте трения f = 0,51 и = 14,81°;
f и v при P = 650 и = 34,84°.
В седьмой главе приведены алгоритмы расчета очистительного и моло тильного аппаратов с контрольными примерами расчетов, а также разрабо танные в соответствии с методикой ВИМ проекты исходных требований на трехвальцовые аппараты, которые включали все необходимые позиции на ба зовые машинные технологические операции послеуборочной обработки.
В восьмой главе дана оценка технического уровня початкоочиститель ного и молотильного аппаратов.
Получены следующие показатели экономической эффективности вложе ния капитальных средств при объеме обработки початков кукурузы урожай ностью 50 ц/га с площади 100 га.
Чистый дисконтированный доход: для очистителя початков – 295,1 тыс.
руб.;
для молотильного аппарата – 9543 руб.
Дисконтированный срок окупаемости: для очистителя початков – 0, года;
для молотильного аппарата – 3,04 года.
Обобщенный показатель предлагаемого початкоочистителя Dэкс превы шает обобщенный показатель DОП-15С початкоочистителя ОП-15С на 0,198.
Обобщенный показатель разрабатываемой молотилки Dэкс превышает обобщенный показатель молотилки початков МКП-3 DМКП-3 на 0,25.
Общие выводы и предложения:
1. Разработана научная концепция очистки и обмолота початков кукуру зы, в которой трехвальцовые аппараты как главные конструктивные элемен ты способствуют реализации проблемы создания ресурсосберегающих тех нических средств, максимально адаптированных к особенностям початков кукурузы. Предлагаемые трехвальцовые аппараты, в которых учтены специ фика съема оберток и выделения зерновок за счет непрерывного контакта очищаемых от оберток и обмолачиваемых початков кукурузы с рабочими ор ганами, обеспечивают взаимное перемещение пакета оберток относительно зерновой части и слоя зерновой части относительно стержня.
2. Для определения анатомо-морфологических и физико-механических свойств початков кукурузы предложена классификационная схема выбора показателей, которая позволяет оптимизировать процесс исследования. Это обусловлено тем, что классификационный подход базируется на рассмотре нии початка кукурузы как сложного биологического объекта, многослойного по структуре и анизотропного по свойствам, разделенного на шесть основ ных зон. Исследуемые показатели могут быть выбраны по принципу харак тера воздействия рабочими органами средств механизации или другими зо нами початка на данную зону початка.
3. Определены предельные значения размерных характеристик початков кукурузы, позволяющие оптимизировать габариты рабочих органов, что обеспечивает ресурсосбережение за счет уменьшения материалоемкости:
длина вальцов максимальная длина початков плюс 0,1 м при условии вра щения початка параллельно рабочим органам без продольного перемещения;
максимальное расстояние между касательными к поверхностям рабочих ор ганов не более 6,0·102 м;
диаметр вальцов не менее 2,8·102 м.
4. Определены предельные значения физико-механических свойств по чатков кукурузы, которые позволяют выбирать оптимальные параметры про цесса их очистки, что обеспечивает ресурсосбережение за счет уменьшения энергоемкости: коэффициенты трения поверхностей рабочих органов по по верхностям початков не менее 0,55;
давление, создающее деформацию оберток, до 1,6 мПа;
усилие, необходимое для разрыва пакета оберток не менее 770 Н;
усилие, необходимое для отрыва пакета оберток от початка не менее 45 Н.
5. Установлена зависимость для определения коэффициентов восстанов ления зерновок кукурузы при косом ударе, позволяющая выбирать началь ные параметры наиболее экономичного режима взаимодействия початков ку курузы с рабочими органами во время съема оберток и обмолота. На скоро стях до 3,4 м/с и углах падения 7590 происходит скольжение зерновок по поверхности рабочих органов, которое не сопровождается разрушением в первом случае початков, а во втором зерновок. Такие параметры могут обес печить трехвальцовые аппараты, работающие в режиме непрерывного кон такта.
6. Установлено три характерных системы деформаций початков кукуру зы при съеме оберток и обмолоте. Значения деформаций в зоне упругого ло кального контакта початка под влиянием внешних нагрузок от рабочих орга нов позволяют определить начальные параметры технологических процессов очистки и обмолота, обеспечивающие захват вальцами листьев обертки и разрушение связей зерновок со стержнем. Значения местных напряжений в зоне силовых контактов, передающих концентрированные сжимающие на грузки, позволяют установить конечные значения параметров технологиче ских процессов очистки и обмолота. Характеры деформаций как слоя обер ток, так и слоя зерновок аналогичны, но отличны по величинам.
7. Разработаны математические модели процессов очистки от оберток и обмолота початков кукурузы для предложенных схем технических средств, работающих в режиме непрерывного контакта с обрабатываемым раститель ным материалом, позволяющие минимизировать выбираемые параметры и режимы их работы.
Графо-аналитические решения дали возможность определить основные параметры и режимы трехвальцовых аппаратов для съема оберток и обмоло та (углы затягивания, зазоры, геометрические параметры рабочих органов, кинематические параметры, технологические режимы и эксплуатационные показатели), на основе которых разработаны методики инженерного расчета.
Определено, что режим очистительного блока является рабочим при значении кинематического коэффициента 1. Для улучшения процесса очистки початков и исключения разрушения зерновок необходимо, чтобы ведомый валец был с рифленой поверхностью и изготовлен из материала с меньшим коэффициентом трения.
8. Обоснована технологическая схема очистителя початков, обеспечи вающего разделение функций при обработке в пределах упругости оберток и зерновой части и съем оберток пакетом.
Установлено, что оптимальная работа початкоочистительного аппарата возможна при рабочем зазоре меньше минимального диаметра початка с учетом его деформации. Тогда углы затягивания для початков диаметром 3065 мм составляют интервал 18,6840,40°.
Определены оптимальные значения основных технологических парамет ров: усилие поджатия початка к очистительным вальцам 175500 Н, коэффи циенты трения контактных поверхностей прижимного и приводного вальцов не менее 0,53, ведомого вальца не более 0,50, кинематический коэффици ент 0,720,87;
рабочая окружная скорость вальцов 0,21,2 м/с.
9. Установлено, что выделение зерновок из початка на обмолоте без по вреждения возможно при минимизации времени контакта с рабочими орга нами и условии, если окружная скорость прижимного вальца меньше, чем у приводного и ведомого, а его поверхность имеет характеристику, близкую по шероховатости к резине. Оптимальные значения основных параметров при этом должны составлять: усилие поджатия початка к вальцам 0,651, кН, коэффициенты трения поверхностей контакта прижимного, верхнего и нижнего вальцов не менее 0,53, кинематический коэффициент должен иметь значения 0,720,87, рабочая окружная скорость вальцов 0,21,2 м/с.
10. Методом планирования эксперимента уточнены основные параметры технологического процесса очистки початков от оберток: среднее значение усилия поджатия початка к очистительным вальцам 210 Н, коэффициенты трения поверхностей контакта прижимного и приводного вальцов не менее 0,63, ведомого вальца не более 0,50, кинематический коэффициент должен иметь значения меньше 0,87, рабочая окружная скорость вальцов не более 0,9 м/с.
11. Методом планирования эксперимента уточнены основные параметры технологического процесса обмолота початков: усилие поджатия початка к вальцам не более 650 Н, коэффициенты трения поверхностей контакта прижимного, верхнего и нижнего вальцов не менее 0,51, кинематический коэффициент должен иметь значения меньше 0,87, рабочая окружная ско рость вальцов не более 1,2 м/с.
12. Выполнена оценка эффективности очистительного и молотильного аппаратов по обобщенному коэффициенту функции Харрингтона и опреде лены параметры, требующие дальнейшего совершенствования. Предлагае мые аппараты превосходят по обобщенному показателю Di производствен ные аналоги: початкоочиститель ОПС-15С на 0,198, а молотилку МКП- на 0.25.
13. Показатели экономической эффективности вложения капитальных средств в процессы очистки и обмолота 500 т початков кукурузы ежегодно составили: чистый дисконтированный доход для очистителя початков 291, тыс. руб., для молотильного аппарата 9543 руб.;
дисконтированный срок окупаемости для очистителя початков 0,912 года, для молотильного аппа рата 3,04 года.
Основные публикации по теме диссертации:
Монографии, книги, брошюры 1. Петунина И.А. Очистка початков кукурузы / И.А. Петунина: моногра фия. – Краснодар: КубГАУ, 2005. – 248 с.
2. Петунина И.А. Обмолот початков кукурузы / И.А. Петунина: моногра фия. – Краснодар: КубГАУ, 2006. – 200 с.
3. Петунина И.А. Очистка и обмолот початков кукурузы / И.А. Петунина.
Краснодар: КубГАУ, 2007. 525 с.
Статьи в ведущих научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией 4. Петунина И.А. Технология очистки початков кукурузы в трехвальцо вом аппарате / И.А. Петунина // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2005, № 9, с. 1213.
5. Петунина И.А. Определение коэффициентов восстановления зерновок кукурузы при ударе / И.А. Петунина // Техника в сельском хозяйстве, 2006, № 3, с. 4446.
6. Петунина И.А. Параметры процесса очистки початков кукурузы / И.А. Петунина // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2006, № 4, с. 89.
7. Петунина И.А. Технология обмолота початков кукурузы в трехвальцо вом аппарате / И.А. Петунина // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2006, № 8, с. 47.
8. Петунина И.А. Обоснование параметров обрушивания початков куку рузы в управляемом режиме / И.А. Петунина // Техника в сельском хозяйстве, 2007, № 1, с. 5254.
9. Петунина И.А. К методу расчета параметров початкоочистительного аппарата / И.А. Петунина, B.C.Кравченко, Е.И. Трубилин, B.C. Курасов // Техника в сельском хозяйстве, 2002, №2, с. 1415.
10. Петунина И.А. Некоторые показатели архитектоники и физико-меха нических свойств початков кукурузы /И.А. Петунина // Техника в сельском хозяйстве, 2008, № 3, с. 3133.
Публикации в сборниках научных трудов, рекомендованных ВАК России 11. Петунина И.А. Движение зерновки кукурузы в камере молотилки / И.А. Петунина // Труды Кубанского государственного аграрного ун-та.
Вып. 1. – Краснодар: КГАУ, 2006, с. 313325.
12. Петунина И.А. Анализ показателей архитектоники и физико-механи ческих свойств початков кукурузы и классификационная таблица по их вы бору для исследования процесса послеуборочной обработки / И.А. Петунина // Труды Кубанского государственного аграрного университета. Вып. 2. – Краснодар: КГАУ, 2006, с. 238249.
13. Петунина И.А. Определение длины дуги прижимного вальца, участ вующего в процессе обмолота початка / И.А. Петунина // Труды Кубанского государственного аграрного университета. Вып. 4. – Краснодар: КубГАУ, 2006, с. 222229.
14. Петунина И.А. Совершенствование технологии уборки кукурузы на зерно с использованием нового принципа очистки и обмолота / Г.Г. Маслов, И.А. Петунина // Труды Кубанского государственного аграрного университе та. Вып. 1(5). – Краснодар: КубГАУ, 2007, с. 169172.
Авторские свидетельства и патенты 15. Пат. 2111644 Российская Федерация, МПК7 А 01D 45/02. Аппарат для очистки початков кукурузы от оберток / Петуниина И.А.;
заявитель и патен тообладатель КубГАУ. № 96124330/13;
заявл. 26.12.96;
опубл. 27.05.1998, Бюл. № 15. 8 с.: ил.
16. Пат. 2112349 Российская Федерация, МПК7 А 01D 45/02. Установка для разделения и очистки початков кукурузы от оберток / Петуниина И.А.;
заявитель и патентообладатель КубГАУ. № 97105791/13;
заявл. 09.04.97;
опубл.10.06.1998., Бюл. № 16. 6 с.: ил.
17. Пат. 2171023 Российская Федерация, МПК7 А 01F 11/06. Линия об молота селекционного материала кукурузы / Трубилин Е.И., Куцеев В.В., Ку расов В.В. и Петунина И.А.;
заявитель и патентообладатель КубГАУ.
№ 99122084;
заявл. 19.10.99;
опубл.27.07.01, Бюл. № 21. 14 с.: ил.
18. Пат. 2319336 Российская Федерация, МПК7 А 01F 11/06. Установка для обмолота початков кукурузы / Петунина И.А.;
заявитель и патентообла датель КубГАУ. № 2006126218;
заявл. 19.07.06;
опубл.20.03.08, Бюл. № 5.
5 с.: ил.
Методические рекомендации и учебные пособия 19. Петунина И.А. Математика для студентов агроинженерных специ альностей / Петунина И.А., Лукъянова И.В.. / Учебное пособие. – Краснодар:
КубГАУ, 2005, 616 с.
20. Петунина И.А. Определенный интеграл и его приложения в произ водственно-экономических задачах. Учебно-методическое пособие и задачи для самостоятельной работы / И.А. Петунина, И.В. Лукьянова. – Краснодар:
КГАУ, 2004, 56 с.
21. Петунина И.А. Дифференциальные уравнения и их приложения в аг роинженерных задачах / И.А. Петунина, И.В. Лукьянова. – Краснодар, Куб ГАУ, 2005, 64 с.
22. Петунина И.А. Элементы теории корреляции./ Учебно-методическое пособие / И.А. Петунина, И.В.Лукьянова. – Краснодар: КубГАУ, 2007, 32 с.
23. Петунина И.А.Элементы математической статистики / И.А. Петуни на, И.В.Лукьянова, И.О. Сергеева // Учебно-методическое пособие. – Крас нодар: КубГАУ, 2007, 32 с.
Статьи в журналах, сборниках научных трудов 24. Петунина И.А. Определение угла затягивания в трехвальцовом по чаткоочистительном блоке / И.А. Петунина // Энергосберегающие техноло гии и процессы в АПК: сб. науч. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 1999. – Вып.
371(399). – С. 36–39.
25 Петунина И.А. Время очистки кукурузы в трехвальцовом початкоочи стительном блоке / И.А. Петунина // Энергосберегающие технологии и про цессы в АПК: сб. науч. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 1999. – Вып. 371(399). – С. 39–43.
26. Петунина И.А. Моделирование управляемого процесса очистки по чатков кукурузы от оберток / И.А. Петунина // Энерго- и ресурсосбережение производственных процессов АПК: сб. науч. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 2000.– Вып. 382(410). – С. 63–67.
27. Петунина И.А. Анализ конструкций початкоочистительных аппаратов в хронологическом аспекте / И.А. Петунина // Энерго- и ресурсосбережение производственных процессов АПК: сб. науч. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 2000.– Вып. 382(410). – С. 196–211.
28. Петунина И.А. Технологии уборки кукурузы на зерно в початках / И.А. Петунина // Энерго- и ресурсосбережение производственных процессов АПК: сб. науч. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 2000. – Вып. 382(410). – С. 67–72.
29. Петунина И.А. Некоторые особенности архитектоники початков ку курузы / И.А. Петунина // Материалы научной конференции КубГАУ.
– Краснодар, 2001. – С. 4–6.
30. Петунина И.А. Изменение ширины листьев обертки початков кукуру зы от давления при прокате / И.А. Петунина // Экология и здоровье человека.
Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии: материалы VI междунар. конф. – Краснодар, 2001. – С. 281–285.
31. Петунина И.А. Геометрия внутреннего пространства початкоочисти тельного аппарата / И.А. Петунина // Оптимизация и ресурсообеспечение технологических процессов в АПК: сб. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 2002. – Вып. 398(426). – С. 534–537.
32. Петунина И.А. Классификация способов и средств механизации про цесса обмолота початков кукурузы / И.А. Петунина // Оптимизация и ресур сообеспечение технологических процессов в АПК: сб. тр. / КубГАУ. – Крас нодар, 2002.– Вып. 398(426). – С. 279–304.
33. Петунина И.А. Моделирование оценки эффективности работы ротор ного початкоочистительного аппарата / И.А. Петунина // Межвузовская на учно-методическая конференция. Компьютеризация учебного процесса и во просы применения компьютерных и информационных технологий 1617 мая 2002 г., Краснодар // Тр. / МО РФ КВАИ. – Краснодар, 2002. – с. 34. Петунина И.А. Физико-механические свойства злаковых растений / И.В. Лукьянова, И.А. Петунина // Материалы. Х Международная конферен ция: «Математика. Компьютер. Образование». – Пущино, 2003. С. 270.
35. Петунина И.А. Эффективность управляемого процесса работы очи стительного аппарата / И.А. Петунина // Актуальные проблемы экологии, экономики, культуры: науч. материалы междунар. конф. – Пятигорск, 2003. – С. 157–163.
36. Петунина И.А. Постановка задачи о математическом моделировании сельскохозяйственных растений как объектов технологической переработки / И.А. Петунина, И.В. Лукьянова // Образование. Экология. Экономика. Ин форматика: материалы V междунар. конф. – Астрахань, 2003. С. 244.
37. Петунина И.А. Теоретическое обоснование съема оберток с початков кукурузы / И.А. Петунина // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 2003. – С. 90–98.
38. Петунина И.А. Определение прочностных и энергетических парамет ров разрушения обертки початка кукурузы / И.А. Петунина // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. / КубГАУ. – Красно дар, 2003. – С. 98–106.
39. Петунина И.А. Постановка вопроса об обмолоте початков кукурузы / И.А. Петунина // Энергосберегающие технологии и процессы в АПК: сб. на уч. тр. / КубГАУ. – Краснодар, 2003. – С. 68–69.
40. Петунина И.А. Определение углов затягивания / В.С. Кравченко, И.А. Петунина // Совершенствование механизированных технологий, техни ческого обслуживания и ремонта машин: Сб. научн. трудов. КубГАУ, вып.
415 (443). – Краснодар: 2005, с. 150154.
41. Повышение эффективности машинных технологий в растениеводстве и животноводстве, надежности машин и использования МТП 02.02. 03417: отчет о НИР (заключ.) / Куб. гос. аграр. ун-т;
руководители: А.Н. Ме довник, Г.Г. Маслов. – Краснодар, 2006, – ГР 01200113467. 172 с.
42. Петунина И.А. Методика выбора физико-механических показателей для обоснования процесса обмолота початков кукурузы / И.А. Петунина // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки: материалы науч.
конф. КубГАУ. – Краснодар: 2008, с. 5965.
Депонированные рукописи 43. Петунина И.А. Кинематика в управляемом процессе очистки початков кукурузы / И.А. Петунина // Деп. во ВНИИТЭИагропром 27.02.98 г., № ВС–98. – 7 с.
44. Петунина И.А. Взаимосвязь некоторых физико-механических свойств початков с процессом послеуборочной обработки кукурузы / И.А. Петунина // Деп. во ВНИИТЭИагропром 27.02.98 г., № 31 ВС–98. – 13 с.
45. Петунина И.А. Деформация оберток початков кукурузы и ее влияние на качество очистки / И.А. Петунина // Деп. во ВНИИТЭИагропром 27.02. г., № 32 ВС–98. – 18 с.
Свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ 46. Зазор между рабочими органами при взаимодействии многовальцо вого ротора с обрабатываемым предметом: программа / Петунина И.А., Цы булевский В.В. // Свид. № 2008612672. М.: Роспатент, 2008. 3 с.
47. Расчет числа оборотов початка кукурузы вокруг своей оси при съеме с него оберток пакетом: программа / Петунина И.А., Цыбулевский В.В. // Свид. № 2008612673. М.: Роспатент, 2008. 4 с.
Отпечатано в типографии КубГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина,