Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ конструктивных особенностей и результатов исследований очесывающих жаток. цель и задачи исследований 9
1.1 Общие положения 9
1.2 Питающие устройства жаток очесывающего типа 10
1.3 Устройства для очеса растений на корню 15
1.4 Анализ теоретических исследований процесса очеса растений на корню 28
1.5 Выводы, цель и задачи исследований 42
2 Теоретическое описание процесса взаимодействия растений с обтекателем 44
2.1 Взаимодействие биологической и технической систем в процессе очеса 44
2.2 Взаимодействие обтекателя с растительной массой 48
2.3 Взаимодействие зерновки с рабочими органами обтекателя 58
2.4 Обоснование угла положения нижней поверхности обтекателя 63
2.5 Повышение эффективности функционирования обтекателя очесывающей жатки 73
2.6 Выводы 75
3 Методика экспериментальных исследований процесса очеса растений на корню 76
3.1 Программа экспериментальных исследований, измерительные приборы и аппаратура 76
3.2 Методика проведения скоростной видеосъемки 77
3.3 Определение физико-механических и морфологических свойств озимой пшеницы 78
3.4 Исследование взаимодействия обтекателя с растительной массой 84
3.5 Основные положения по обработке экспериментальных 91
данных
4 Результаты экспериментальных исследований 93
4.2 Результаты скоростной видеосъемки 93
4.3 Результаты исследований по определению физико- механических и морфологических свойств озимой пшеницы 95
4.4 Результаты исследований взаимодействия обтекателя с растительной массой 98
5. Технико-экономичская оценка эффективности внедрения результатов 113
Общие выводы 124
Список литературы
- Питающие устройства жаток очесывающего типа
- Взаимодействие зерновки с рабочими органами обтекателя
- Определение физико-механических и морфологических свойств озимой пшеницы
- Результаты исследований взаимодействия обтекателя с растительной массой
Питающие устройства жаток очесывающего типа
На уборке зерновых культур, посеянных широкорядным способом, например, сорго зерновое, могут применяться вальцовые устройства с продольным размещением вальцов [75]. В настоящее время работы по разработке и совершенствованию очесывающих машин с вальцовыми рабочими органами для уборки сорго ведутся в Волгоградском государственном аграрном университете. Вальцевые очесывающие устройства обладают невысоким уровнем потерь зерна осыпью, но абсолютно непригодны для уборки полеглого стеблестоя. Также большим недостатком является сложность конструкции, повышенная материало- и энергоемкость.
В конструкциях очесывающих устройств параллелограмного типа (рисунок 1.11) рабочий орган – очесывающий ротор с шарнирно установленными на нем гребенками, которые при вращении ротора совершают плоскопараллельное движение [39]. Очесывающая гребенка внедряется в хлебную массу, прочесывает её и отделяет зерно. К преимуществам устройств данного типа относится низкое содержание соломистых примесей в очесанном ворохе, к недостаткам – повышенный уровень травмирования зерна, сложность изготовления, низкая надежность.
Полеглые и многоярусные хлеба высокоэффективно убирать позволяют очесывающие устройства транспортерного типа (рисунок 1.12). Транспортеры могут быть как ленточными, так и цепными. На транспортере установлены очесывающие зубья. Устанавливаемое перед транспортером стеблеподающее устройство непрерывно и равномерно подает растения в зону очесывания, а при работе на полеглых хлебах также ещё и поднимает полеглые растения [3, 8, 94,100]. Недостатком таких устройств является повышенное содержание соломистых частиц в очесанном ворохе, низкая надежность ленточного транспортера.
Очесывающий барабан с жестко установленными на нём в несколько рядов очесывающими гребенками вращается и перемещается вместе с устройством. Очесывающие гребенки захватывают стебли растений, прочесывают их и зашвыривают очесанную массу к консольному шнеку, чему также способствует воздушный поток, образуемый при вращении очесывающего барабана. Устройства такого типа обладают простотой конструкции, надежностью, обеспечивают высокое содержание свободного зерна в очесанном ворохе и невысокий уровень потерь. Снизить потери зерна позволяет использование мощного воздушного всасывающего потока, для создания которого необходимо установить мощные вентиляторы. Однако это приводит к усложнению конструкции, повышению её энерго- и материалоемкости. Одним из таких решений является двухбарабанный вариант очесывающего устройства (рисунок 1.13б) [1].
Установленные один за другим очесывающие барабаны вращаются навстречу друг другу и тем самым создают всасывающий воздушный поток. При этом оба барабана имеют установленные в несколько рядов гребенки. Таким образом, большее количество гребенок способствует более интенсивному очесыванию растений.
Двухбарабанные очесывающие устройства имеют большую массу, громоздкость и требуют больших энергозатрат при эксплуатации в сравнении с однобарабанными. В целом, следует отметить, что однобарабанные конструкции очесывающих жаток, имея меньшие габариты и массу, а также энергопотребление выполняют агротехнические требования с надлежащим качеством. Очевидно, данные их преимущества и предопределили их большее распространение. Серийно выпускаемые очесывающие жатки оборудуются барабанными очесывающими устройствами. Так, например, жатки производства британской фирмы Shelbourne Reynolds [106] и ОАО «Пензмаш» [83] имеют однобарабанную конструкцию; украинские «Славянка» [86] и российские «Спринтер» [84] - двухбарабанную (рисунок 1.14). Также двухбарабанную а) конструкцию имели и жатки ОКД-4, выпускавшиеся в конце XX века Красноярским комбайновым заводом [73].
В конструкции очесывающей жатки по авторскому свидетельству № 1679997А1 [7] предложено направление вращения очесывающего барабана по ходу движения очесывающего устройства и шарнирное расположение на нем очесывающих гребенок (рисунок 1.15). Причем гребенки при вращении барабана совершают плоскопараллельное движение, поворачиваясь в шарнире, двигаясь по копирующей дорожке. - очесывающий барабан; 2 - кожух вентилятора; 3 очесывающая гребенка; 4 - счищающий валец; 5 пневмотранспортирующий канал; 6 - направляющая очесывающих гребенок; 7 - лопасть вентилятора.
Очесывающий барабан выполнен полым, и внутри его размещается дополнительный вентилятор. Вентилятор способствует увеличению скорости воздушного потока. Вращение барабана по ходу движения уборочного агрегата предотвращает вылет зерна от очесывающего барабана при резком ударе, мощный воздушный поток, создаваемый вентилятором подхватывает зерно и способствует его продвижению по пневмотранспотирующему каналу. Обе перечисленные особенности позволяют снизить потери урожая свободным зерном за очесывающей жаткой. Интересна разработка А.И. Бурьянова, в котором предложен очесывающий барабан с изменяемым углом наклона очесывающих гребенок (рисунок 1.16). Данное решение, по убеждениям изобретателя, направлено на изменение абсолютной скорости, как по модулю, так и по направлению зерновки после её схода с зуба, что будет способствовать сокращению потерь при уборке полеглых и невыровненных хлебов [26]. В свою очередь М.А. Бурьянов предложил математическую модель взаимодействия колоса растения с очесывающим зубом и математическую модель движения зерновки по зубу после её отрыва от колоса [20]. Данные модели и поясняют необходимость регулировки угла наклона очесывающей гребенки.
Взаимодействие зерновки с рабочими органами обтекателя
КП - коэффициент парусности зерновки, м"1. Движение зерновки в воздушном потоке после её схода с зуба рассмотрено с учетом того, что ширина транспортирующего канала, образованного внутренней поверхностью обтекателя и концами гребенок очесывающего барабана на участке от точки начала очеса до оси Y в 3 и 2 четвертях ограничена и остается постоянной, вследствие чего воздушный поток движется на этом участке с постоянной скоростью
В выше упомянутых работах, посвященных исследованию процесса очеса растений зерновых культур, основное внимание уделено взаимодействию растения с очесывающим рабочим органом, которым в зависимости от конструкции очесывающей жатки является барабан или транспортер. На сегодняшний день уже неоднократно обоснованы параметры и режимы работы и очесывающего барабана, и очесывающего транспортера, очесывающей гребенки как с точки зрения полноты очеса, так и с точки зрения транспортирования очесанного вороха к консольному шнеку воздушным потоком. При этом авторы [51, 77, 80] рассматривают взаимодействие барабана с растением, находящемся в естественном прямостоячем вертикальном, или близком к вертикальному, положении, что не в полной мере соответствует реалии расположения стеблей растений в момент контакта с очесывающим барабаном.
Еще одна из функций обтекателя - отражение частиц вороха, движущихся от очесывающих гребенок барабана или транспортера под действием силы инерции и воздушного потока, создаваемого при вращении очесывающего барабана или транспортера соответственно, и подача их к консольному шнеку.
В работе А.И. Савченкова [66] рассмотрен процесс подачи растений на очес. Рассмотрен вариант с рабочим органом в виде очесывающего транспортера и битерно-пальцевого питающего устройства (конструкция ЦНИИМЭСХ). Автором составлены уравнения движения конца пальца битера при совокупности вращательного движения битера и поступательной скорости уборочного агрегата, определен показатель кинематического режима работы пальцев и построена циклоида движения конца пальца. Таким образом, при условии движения уборочного агрегата со скоростью 2 м/с показатель кинематического режима равен =3,63. Полученное значение позволило сделать вывод о непригодности такой конструкции питателя в виду возможного частичного вымолота зерна.
Учитывая факт воздействия на растение со стороны битерно пальцевого питателя в двух направлениях, автор установил: При воздействии по ходу движения уборочного агрегата происходит толкание массы кожухом, а в противоположном направлении наблюдается проталкивание массы пальцами. Исходя из этих положений, он определил изгибающий момент, действующий на стебель растения со стороны пальца Мд = 108 Нм, и сравнил его с критическим моментом инерции стебля Мкр = 30,10 2Н м. Полученные результаты позволили сделать вывод о возможности излома стебля и потере колоса до начала очеса [66]. При изучении очесывающей жатки МОН-4, имеющей в своем обтекателе битер-вентилятор, А.И. Савченков рассмотрел условие попадания частиц вороха, отраженных очесывающим барабаном в поле действия битера-вентилятора, т.е. выше нижней кромки обтекателя. На рисунке 1.25 приведена схема к обоснованию координат нижней точки обтекателя относительно очесывающей гребенки, находящейся в непосредственном взаимодействии с растением.
Основными агротехническими требованиями, предъявляемыми к работе очесывающей жатки являются уровень потерь и степень повреждения зерна. Источником повреждения зерна может служить очесывающий барабан, вращающийся на высоких оборотах. При вращении барабана вращаются и гребенки с линейной скоростью до 16 м/с. В то же время, молотильный барабан зерноуборочного комбайна вращается с такой частотой, при которой линейная скорость его бичей достигает 25 м/с [79]. При таких условиях, травмированием зерна очесывающим барабаном можно пренебречь.
При изучении вопроса об уровне потерь за жаткой необходимо рассмотреть все возможные случаи: 1) потери свободным зерном и обломанным колосом при первоначальном столкновении растительной массы и обтекателя; 2) неочесанным колосом из-за недостаточной частоты вращения очесывающего барабана или повышенной поступательной скорости движения уборочного агрегата; 3) неочесанным колосом из-за слабого контакта и выскальзывания колоса из поля действия очесывающей гребенки; 4) свободным зерном и оборванным колосом, улетающим от очесывающего барабана вперед по ходу движения агрегата под обтекатель.
Второй, третий и четвертый случаи возникновения потерь рассмотрены ранее П.А. Шабановым, А.И. Бурьяновым, Н.И. Косиловым и др. при обосновании параметров и режимов работы очесывающего барабана и очесывающей гребенки, первый же случай не нашел отражения в известных научных трудах.
Определение физико-механических и морфологических свойств озимой пшеницы
При определении предела упругости стебля последовательность работ принята следующая: закрепляли стебель в зажиме 3, далее при помощи специальной указки отклоняли стебель на 240 мм вправо по метрической шкале 4, прикладывая усилие на высоте расположения метрической шкалы равной 300 мм (рис. 3.5). Далее снимали воздействие и по шкале измеряли пластическую деформацию стебля, как разность между положением стебля до приложения усилия и после возвращения его в свободное положение после снятия усилия. Единицей измерения принят «мм». Повторность проведения эксперимента принята десятикратной.
При определении предела прочности последовательность проведения эксперимента принята следующая: аналогично предыдущему эксперименту стебель закрепляли в зажим и воздействовали на него при помощи специальной указки на уровне метрической шкалы, т.е. на высоте 300 мм. Усилие прилагали таким образом, чтобы стебель отклонялся вправо. По мере воздействия на стебель фиксировали такое его отклонение, при котором происходил надлом стебля при сохранении упругих свойств, а также такое отклонение, при котором происходил полный излом стебля и потеря упругих свойств. Единица измерения принята «мм». Повторность проведения эксперимента принята десятикратной.
Определение динамической нагрузки выполняли при помощи метрического оборудования: тензостанция «KUOWA» и тензодатчик «DASSEL». Последовательность работ принята следующая: стебель клали на опоры, далее включали ПЭВМ, тензостанцию, запускали программу DSC-100A и включали запись в программе, отклоняли стебель по центру и фиксировали на зацепе тензодатчика (рис. 3.6). После этого останавливали запись в программе DSC-100A и при помощи программы DAS-100A выполняли анализ полученной записи с определением усилия, воздействия со стороны стебля на тензодатчик. Единицей измерения при этом принята «kgf» как основной единицы в пакете программного обеспечения, прилагаемого к тензостанции. Повторность проведения эксперимента принята десятикратной.
Для определения влияния обтекателя на растительную массу использовалась лабораторная установка «Обтекатель» (рис. 3.7), разработанная на кафедре «Процессы и машины в агробизнессе» Ставропольского государственного аграрного университета. Установка состоит из поверхности обтекателя 1 непосредственно, имеющего ширину 1м и форму рабочей поверхности, повторяющую форму рабочей поверхности обтекателя очесывающей жатки, шарниров 2, с помощью которых обтекатель 1 закреплен на раме 3, а также винтового раскоса 4, посредством которого осуществляется регулировка угла наклона обтекателя к поверхности поля. Лабораторная установка предназначена для работы в навесном варианте с энергетическим средством типа трактора. – поверхность обтекателя; 2 – шарниры; 3 – рама; 4 – винтовой раскос; 5 – трактор МТЗ – 1221.51.55 «Беларус».
Угол положенияконтактирующейповерхностиобтекателя Высотаположенияточки контактаобтекателя срастением Поступательнаяскоростьуборочногоагрегата
За критерий оптимизации приняли уровень потерь зерна за обтекателем очесывающей жатки По, %. В таблице 3.1 представлены выбранные основные факторы и уровни их варьирования в натуральном и кодированном обозначениях для эксперимента типа 23.
Опыты проводили по расширенной матрице, представленной в таблице 3.2 в последовательности, имеющей случайный характер. Повторность опытов – трехкратная.
Для проведения исследований было выбрано поле озимой пшеницы со средней высотой хлебостоя hр=0,906м, исследования проводили на момент достижения зерна пшеницы влажности - w=14,6%, предварительно обкошенное и прокошенное по требованиям пожарной безопасности с применением зерноуборочного комбайна Acros 580 и зерновой жатки РСМ – 081.27 шириной захвата 7м, равной ширине захвата очесывающей жатки ЖОНК – 7 «ОЗОН», на минимально возможной высоте среза. Далее в пределах выбранного поля размечались и раскашивались два участка размером 127х74м для проведения экспериментов. Подготовка участка проводилась при помощи GPS-ГЛОНАСС оборудования – курсоуказателя Trimble EZ-Guide 500 (рис. 3.8). Экспериментальный участок представлен на рисунке 3.9.
Определяли уровень естественных потерь от самоосыпания зерен из колоса. Для этого накладывали на поверхность поля металлическую рамку площадью 1 м2 (рис. 3.10). Далее серпом вырезали все растения с образовавшейся площади и подсчитывали количество зерен nz лежащих на поверхности почвы, в том числе в виде не обмолоченных колосьев. Зная массу 1000 зерен т1000, а также определив количество зерен в колосе щ и количество растений на 1 м2 праст, определяли урожайность Уб с м2 на данном поле и уровень естественных потерь
«Обтекатель» навешивали на гидронавесную систему трактора «Беларус», заезжали в загон, устанавливали необходимую высоту положения обтекателя, изменяя положение гидронавесной системы трактора, угол наклона рабочей поверхности обтекателя устанавливали изменением длины винтового раскоса. Контроль высоты положения обтекателя осуществляли при помощи метра складного ТУ 3936-034-00220836-98, контроль угла наклона рабочей поверхности обтекателя – при помощи угломера лабораторного ТУ 50–18–77, контроль скорости движения осуществляли по комбинации приборов КД 8105-1 трактора (рис. 3.11). После этого начинали движение по загону с необходимой скоростью. По окончании движения по загону производили перенастройку положения обтекателя или изменяли величину поступательной скорости и выполняли движение по другой стороне загона. Таким образом, в пределах одного загона проводили два эксперимента, после чего переходили на следующий загон.
Результаты исследований взаимодействия обтекателя с растительной массой
Уравнение регрессии в натуральном виде показывает, что между основными факторами и параметром оптимизации существует прямая зависимость, а поверхности отклика, построенные по уравнению, имеют плоскую форму. Анализ поверхностей отклика и их двухмерных сечений, а также решение уравнения регрессии в программе MathCad позволяют сделать вывод о рациональных параметрах и режимах работы обтекателя очесывающей жатки, обеспечивающих уровень потерь зерна не более 0,5 %: - в конструкции обтекателя очесывающих жаток угол положения нижней поверхности должен находиться в пределах 15… 24; - с увеличением высоты расположения передней кромки обтекателя снижается уровень потерь зерна, в процессе работы очесывающей жатки высоту расположения передней кромки обтекателя необходимо устанавливать на высоте 2/3 от высоты растения и более; - по мере увеличения поступательной скорости движения уборочного агрегата и приближению к значению 2,5 м/с уровень потерь зерна возрастает и приближается к критическому значению. При этом следует учитывать, что с увеличением скорости движения уборочного агрегата повышается его производительность.
В ходе полевого эксперимента с помощью экспериментальной установки "Обтекатель" получили минимальный уровень потерь 0,314% при работе с поступательной скоростью 1,94 м/с, углом наклона нижней поверхности обтекателя аоб=15, высотой расположения точки контакта обтекателя с растением /г0=0,8м. Следует заметить, что данный режим работы обтекателя невозможно установить ни на одной из выпускаемых на сегодняшний день очесывающих жатках.
Общие методические положения определения экономической эффективности. Основным приемом выявления экономической эффективности модернизации обтекателя очесывающей жатки является сравнение проектируемой машины с существующей (эталоном), используемой в производстве.
При сравнении соблюден принцип сопоставимости: одинаковые условия, сопоставимые цены, нормы выработки, расценки по оплате труда.
Для оценки экономической эффективности результатов исследований принят режим работы обтекателя, обеспечивающий наименьший уровень потерь согласно полнофакторному эксперименту: аоб=\5\ /70=0,8м. Скорость движения VM принята равной 2,5 м/с, как рекомендуемая производителями очесывающих жаток для обеспечения загрузки рабочих органов зерноуборочного комбайна и повышения производительности уборочного агрегата [63, 64, 84, 86]. В качестве базового варианта приняты результаты по уровню потерь зерна согласно полнофакторного эксперимента для режима наиболее близкого к проектируемому, но с поправкой на возможность его установки на серийных очесывающих жатках "ОЗОН", Shelbourne Reynolds: аоб=15, этому параметру будет соответствовать высота положения передней кромки обтекателя /г0=0,5м. Скорость движения принята равной проектируемому варианту Рл4=2,5м/с.За урожайность зерна пшеницы примем среднюю урожайность по Ставропольскому краю в 2014 году -37,4ц/га.
Основным показателем экономической эффективности в данном случае является дополнительный эффект связанный с увеличением количества собираемой продукции (урожайности), являющееся следствием уменьшения уровня потерь зерна. Расчет экономической эффективности произведен по методике, предложенной в методических указаниях [81]. Также при рассмотрении вопросов эффективности использовалась литература [44, 46, 47, 48, 74].
Для приведения разновременных затрат и эффектов за весь срок службы машины на исходный момент времени применяют дисконтирование. Среднегодовой чистый дисконтированный доход (аннуитет) рассчитывается умножением годовой экономии на коэффициент аннуитета. При этом в затраты не включаются амортизационные отчисления