Повышение эффективности уборки льна-долгунца путем разработки технологических процессов и технических средств для их осуществления

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УБОРКИ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА

ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И

ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Специальность 05.20.01 Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростовцев Роман Анатольевич

Санкт-Петербург 2010 г.

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации льноводства Россельхозакадемии» и в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тверская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный консультант	доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Россельхозакадемии Черников Виктор Григорьевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик Международной академии аграрного образования Сечкин Василий Семенович;
	доктор технических наук, профессор Катченков Сергей Александрович
	доктор технических наук, профессор Ковальчук Юзеф Константинович
Ведущая организация	ОАО «ВИСХОМ»

Защита состоится « » 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при Северо-Западном научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 196625, г. Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, 3, факс (812) 466-56-66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Черей Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

лен долгунец уборка

Актуальность темы диссертации. В последние годы во всем мире льнопродукция, обладающая уникальными свойствами, особенно экологической чистотой, пользуется повышенным спросом, преимущественно на потребительских рынках США и Евросоюза, и ее производство постоянно возрастает. По прогнозам высокий потребительский спрос на текстильные изделия из натуральных волокон в развитых странах мира сохранится и на перспективу. В связи с этим развитие льняного подкомплекса в АПК России является приоритетной задачей и обусловлена, прежде всего, народнохозяйственной целесообразностью и необходимостью удовлетворения текстильных предприятий конкурентоспособным отечественным сырьем, а льносеющих хозяйств высококачественным посевным материалом. Наиболее трудоемким и затратным процессом в льноводстве является уборка, на долю которой в зависимости от принятой технологии приходится 65…80 % затрат труда, 55…75 % денежных средств и до 40 % затрат энергии. Поэтому работы, связанные с совершенствованием технологий уборки льна-долгунца, а также с разработкой технических средств для их осуществления, являются наиболее актуальными.

Работа выполнена в соответствии с Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации Россельхозакадемии на 2001-2005 годы (проблема 10) и на 2006-2010 годы (проблема 9), а также согласно плану научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ФГОУ ВПО «Тверская ГСХА».

Цель исследований. Совершенствование уборки льна-долгунца путем разработки технологических процессов и технических средств для их осуществления, обеспечивающих снижение потерь семян и волокна, а также повышение их качества.

Задачи исследований.

1. Разработать технологические процессы, снижающие потери семян и улучшающие их качество, а также уменьшающие растянутость стеблей в ленте при уборке льна-долгунца и приготовлении тресты.

2. Провести исследования и разработать математические модели процессов подбора, оборачивания и расстила лент льна, а также отделения семенных коробочек от стеблей и выравнивания стеблей льна в ленте.

3. Усовершенствовать подбирающе-оборачивающее устройство.

4. Разработать:

устройство для отделения семенных коробочек от стеблей, снижающее повреждение семенных коробочек и потери стеблей в виде отхода в путанину;

устройство для принудительного расстила лент льна, не допускающее увеличения растянутости лент;

устройство для выравнивания стеблей льна в ленте, уменьшающее ее растянутость.

5. Разработать алгоритмы расчета параметров и режимов работы новых и усовершенствованных рабочих органов;

6. Исследовать технологические и физико-механические свойства стеблей льна необходимые для расчета параметров и режимов работы разработанных рабочих органов.

7. Провести экспериментальные исследования разработанных технологических процессов и рабочих органов с целью проверки адекватности их математических моделей.

8. Провести производственную проверку и оценить эффективность разработанных технологических процессов и рабочих органов на машинах для уборки льна-долгунца.

Объект исследования. Технологии уборки льна-долгунца, растения льна и стебли льнотресты, рабочие органы машин для уборки льна-долгунца и приготовления тресты (подбирающе-оборачивающие устройства, очесывающие аппараты, устройства для расстила лент льна и выравнивания стеблей в ленте), принципиальные и компоновочные схемы машин для уборки льна-долгунца.

Предмет исследования. Биотехнологические системы (растения льна, внешняя среда, средства механизации, технологические режимы) уборки льна-долгунца; организационные формы производства льноволокна и семян в условиях рыночных экономических отношений.

Методы исследований. Теоретические исследования взаимодействия рабочих органов машин для уборки льна-долгунца с рабочей средой базируются на методах классической механики и математического анализа с применением компьютерных программ (MathCAD 12-13, MS Excel и др.) для решения уравнений и построения графиков.

При экспериментальных исследованиях биотехнологических систем применялись методы математической статистики, тензометрирования, а также методика оптимизации многофакторных технологических процессов с нахождением эмпирических функций отклика (уравнений регрессии), их исследования методом визуализации трехмерных сечений векторного пространства отклика в компьютерной программе STADIA 6.0-7.0.

Полевые исследования проводились по отраслевым методикам испытаний сельскохозяйственной техники, а также по частным методикам при исследовании новых технологических процессов: вибрационное воздействие на комлевую часть стеблей устройством для их выравнивания в движущейся ленте; захват и транспортирование стеблей льна пальцами криволинейной формы устройства для принудительного расстила лент льна.

Научная новизна результатов исследований:

функции отклика биотехнологических систем, отражающие влияние параметров и режимов работы динамического монощелевого очесывающего аппарата и устройств для выравнивания стеблей льна-долгунца в ленте и принудительного расстила лент льна на показатели качества их работы;

уравнения динамики движения ленты льна в подбирающе-оборачивающих устройствах и устройстве для принудительного расстила лент льна;

математические модели, описывающие взаимодействие лопатки динамического монощелевого очесывающего аппарата со стеблями льна при очесе и процесс выравнивания стеблей льна в ленте с учетом упругих свойств стеблей;

новые аналитические зависимости для определения рациональных параметров и режимов работы подбирающе-оборачивающих устройств, динамического монощелевого очесывающего аппарата, устройства для принудительного расстила лент льна, центробежного дебалансного устройства для выравнивания стеблей льна в ленте.

Практическая значимость:

технологические и конструкционные схемы рабочих органов машин для уборки льна-долгунца;

рекомендации по использованию рабочих органов и выполняемых ими процессов при уборке льна-долгунца;

алгоритмы расчета рациональных параметров и режимов работы подбирающе-оборачивающих устройств, динамического монощелевого очесывающего аппарата, устройства для принудительного расстила лент льна, центробежного дебалансного устройства для выравнивания стеблей льна в ленте.

Новизна технических решений при создании указанных выше технологических процессов и технических средств подтверждена 22 патентами на изобретения и полезные модели.

По результатам научных исследований при участии автора разработаны и внедрены на машинах для уборки льна-долгунца следующие рабочие органы: усовершенствованное подбирающе-оборачивающее устройство на самоходных оборачивателе лент льна ОЛС-01 и подборщике-очесывателе ПОЛС-01; устройство для принудительного расстила лент льна на льнокомбайнах ЛК-4А, «Русич», ГЛК-1,5; центробежное дебалансное устройство для выравнивания стеблей льна в ленте на самоходном оборачивателе лент льна ОЛС-01М и линии первичной переработки льна МТА-1Л.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. В диссертации сформулированы, научно-обоснованы и выносятся на защиту следующие положения.

1. Математические модели процессов подбора, оборачивания, расстила лент льна, отделения семенных коробочек от стеблей и выравнивания стеблей льна-долгунца в ленте.

2. Технологические процессы и конструкционные схемы разработанных рабочих органов: усовершенствованного подбирающе-оборачивающего устройства, динамического монощелевого очесывающего аппарата, устройства для принудительного расстила лент льна и центробежного дебалансного устройства для выравнивания стеблей льна-долгунца в ленте.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие возможность применения разработанных технологических процессов и рабочих органов в конструкциях машин для уборки льна-долгунца.

4. Алгоритмы расчета рациональных параметров и режимов работы новых и усовершенствованных рабочих органов машин для уборки льна-долгунца.

5. Оценка эффективности применения разработанных технологических процессов и рабочих органов в конструкциях машин для уборки льна-долгунца.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Тверская ГСХА»: «Актуальные проблемы аграрной науки Верхневолжья» (2001 г.), «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса Тверского региона» (2002 г.), «Проблемы социально-экономического развития села Тверской области» (2003 г.), «Актуальные проблемы аграрной науки и практики» (2005 г.); на Международных научно-практических конференциях: «Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК» (г.Тверь, 6-8 июня 2006 г.), «Стабилизация производства и развитие агропромышленного комплекса региона на основе внедрения инновационных технологий» (г.Тверь, 13-15 июня 2007 г.), «Проблемы аграрной науки и образования» (г. Тверь, 3-5 июня 2008 г.), «Современные технологии агропромышленного производства» (г. Тверь, 2-4 июня 2009 г.), «Интенсификация машинных технологий производства и переработки льнопродукции» (г.Тверь, 15-16 июля, 2004 г.), «Новые технологии и техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в сельскохозяйственном производстве» (г.Москва, ГНУ ВИМ, 2005 г.), «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве» (г. Минск, 17-19 октября 2007 г.); на 2-й Международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (г.Москва, ГНУ ВИМ, 2003 г.), на IX Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Углич, 19-20 сентября 2006 г.), на Х юбилейной Международной научно-практической конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (г. Вологда, март 2007 г.), на ХV Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России направления развития земледельческой механики» (г.Москва, ВВЦ, ВИМ, 15-16 октября 2007 г.), на ХIV Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» (г. Тамбов, 19-20 сентября 2007 г.), на конференцi молодих учених «Технiчнi культури: новi дослiдження та парспективи розвитку галузей» (г. Луцьк, 4-6 грудня 2007 р.), на 6-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 13-14 сентября 2008 г.), на ХI Международной научно-практической конференции «Наука и производство - пути развития и ожидаемые результаты» (г.Вологда, 11-13 марта 2008 г.), на Международной научно-практической конференции «Повышение конкурентоспособности льняного комплекса России в современных рыночных условиях» (г.Вологда, март 2009 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 77 печатных работах, в том числе в двух монографиях, 22 патентах на изобретения и полезные модели. 17 работ опубликовано в изданиях рекомендованных экспертным советом ВАК России для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Объем публикаций составил более 58 п.л., из них лично автора 37 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 444 страницах компьютерного текста, содержит 146 рисунков, 26 таблиц, 15 приложений и состоит из введения, девяти глав, выводов и списка использованных источников из 256 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность проблемы уборки льна-долгунца, приводится характеристика работы.

В первом разделе «Состояние проблемы уборки льна-долгунца» сформулирована проблема снижения потерь семян и волокна при уборке, а также улучшения их качества как основного направления повышения конкурентоспособности льнопродукции.

В последнее время для уборки льна-долгунца в России и странах СНГ используются две технологии комбайновая и раздельная.

Основной является технология комбайновой уборки, главный недостаток которой противоречие между двумя производственными целями: выработкой высококачественного льноволокна и получением высококачественных льносемян, обусловленное тем, что физиологическая спелость волокна и семян наступает в разное время, а сами семена созревают не одновременно вследствие разных сроков образования семенных коробочек на стеблях.

Главный недостаток технологии раздельной уборки зависимость от погодных условий, что в льноводной зоне России, где в среднем три года из пяти бывают дождливыми, значительно сдерживает ее применение.

В последние годы разработана технология комбинированной уборки, которая представляет собой рациональное сочетание комбайновой и раздельной технологий и, следовательно, ей присущи все их недостатки.

В 2009 году в рамках реализации Целевой программы ведомства «Развитие льняного комплекса России на 2008-2010 годы» и программы по развитию семеноводства на 2008-2012 годы» предложен организационно-технологический проект «Производство льнопродукции на основе дифференциации возделывания». Согласно данному проекту предлагается дифференциация технологий на семеноводческие цели (для элитных посевов и высших репродукций) и на товарное производство тресты (волокна) с получением семян при благоприятных погодных условиях. Это решение наиболее целесообразно в условиях рыночной экономики. Однако, проблемой уборки льна-долгунца при товарном производстве тресты является низкое качество получаемых семян.

Общей проблемой применяемых технологий уборки является невысокий выход длинного волокна, обусловленный низким качеством сырья поступающего на льнозаводы. Это объясняется большой толщиной и повышенной растянутостью лент льна, что не позволяет произвести качественную вылежку тресты и приводит к большим ее потерям при переработке.

Решение поставленной проблемы возможно путем совершенствования и разработки технологических процессов, направленных на повышение качества семян и тресты, а также технических средств для их осуществления: очесывающих аппаратов, подбирающе-оборачивающих устройств, устройств для расстила и выравнивания лент льна.

На основании проведенного анализа поставлена цель и сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе «Совершенствование технологии и рабочих органов машин для уборки льна-долгунца» проведен обзор исследований в области льноводства и машинно-технологического обеспечения этой отрасли. Наибольший вклад в формирование существующих знаний внесли М.И. Шлыков, А.С. Маят, И.В. Крагельский, И.М. Махов, Б.П. Можаров, Н.Ф. Диденко, Г.А. Хайлис, П.К. Кондрашук, И.В. Баранов, И.П. Копьев, И.П. Карпец, В.А. Толковский, В.И. Зеленко, Н.Н. Быков, Р.И. Моторина, М.М. Боярченкова, Г.Н. Матюхина, В.С. Новоселов, В.Г. Черников, В.П. Понажев, Б.С. Петухов, А.Н. Зинцов, Н.А. Смирнов, Е.Л. Пашин, Д.Ф. Оробинский, С.А. Катченков, В.А. Шолодько, И.А. Гиренко, А.Ю. Горбовий, С.К. Лоборчук, П.А. Голобородько, Р.Н. Гилязетдинов, В.И. Макаев В.Н. Дашков, П.П. Казакевич, Ю.Н. Бельдейко, В.Н. Перевозников, И. Кршеменак, Б. Ганоушек, К. Бернхард, М. Биндер и др. В работе приведен анализ исследований этих и других авторов.

Трудность получения семян посевного качества при товарном производстве тресты обусловлена тем, что волокно в стеблях льна созревает раньше основной массы семян и имеет наилучшее качество в конце зеленой, начале ранней желтой стадии спелости. Семена к этому времени еще не вполне сформировались и имеют невысокую всхожесть и энергию прорастания.

Вместе с тем установлено, что снижение качества семян при уборке льна в стадиях зеленой и ранней желтой спелости происходит из-за быстрой потери ими влаги при искусственной сушке горячим воздухом. При естественной сушке семян в коробочках, убранных в этих стадиях спелости, происходит их полное дозревание, и эти семена могут использоваться для посева. Основываясь на данных существующих способов сушки и переработки вороха, предлагается следующий способ получения семян льна высоких посевных кондиций при осуществлении уборки льна на волокно.

Технологию уборки начинают в стадии ранней желтой спелости. Полученный сырой ворох сепарируют, разделив на три фракции: семенные коробочки, свободные семена и путанина. Неразрушенные семенные коробочки располагают под навесом или в хорошо проветриваемом помещении нетолстым слоем для естественной сушки и дозревания. Для предотвращения гнилостных процессов коробочки необходимо время от времени ворошить или продувать холодным воздухом, особенно в первые дни, когда они имеют высокую влажность. После достижения коробочками влажности 12…20% их обмолачивают, а полученные семена очищают.

Согласно многочисленным исследованиям содержание неразрушенных семенных коробочек в ворохе, полученном от льнокомбайна ЛК-4А не опускается ниже 40%. Если иметь в виду, что норма высева семян льна-долгунца 95-процентной всхожести составляет примерно 1,2 ц/га, то очевидно, что даже при средней урожайности семян льна-долгунца 3 ц/га полученных таким образом семян вполне достаточно для гарантированного возобновления посевов и даже их расширения.

Очес стеблей льна при таком способе производства семян целесообразно проводить динамическим монощелевым очесывающим аппаратом (рис. 1), позволяющим получать ворох с высоким процентом неразрушенных семенных коробочек и низким содержанием путанины.

Для решения другой проблемы низкий выход длинного волокна при переработке тресты, необходимо качественное выполнение операций подбора-оборачивения и расстила лент льна, а также применение операции выравнивания стеблей льна в ленте на этапе приготовления тресты при оборачивании, когда стебли имеют достаточно большую для выравнивания жесткость, и непосредственно перед поступлением стеблей на переработку после выполнения всех операций уборки.

Проведенный анализ подбирающе-оборачивающих, расстилочных и выравнивающих устройств показал, что все они имеют недостатки, снижающие эффективность их использования и сдерживающие внедрение на машинах для уборки льна-долгунца и приготовления тресты.

Установлено, что наиболее целесообразно для проведения подбора и оборачивания использовать подбирающе-оборачивающее устройство барабанного типа с перекрестным транспортером, повысить эффективность работы которого можно путем совершенствования конструкции.

Для расстила стеблей льна в ленту на продольно-поперечных льноуборочных машинах целесообразно применять устройство для принудительного расстила лент льна (рис. 2).

Для снижения растянутости лент льна предложено центобежное дебалансное устройство для выравнивания стеблей льна-долгунца в ленте (рис.3).

В третьем разделе «Теоретическое обоснование подбирающе-оборачивающих устройств» разработанны математические модели процессов подбора и оборачивания, а также обоснованы рациональные параметры и режимы работы усовершенствованного подбирающе-оборачивающего устройства и дан алгоритм его расчета.

Исследован процесс подбора стеблей льна-долгунца пальцами подбирающего аппарата (рис. 4, а), получены уравнения его описывающие:

; (1)

. (2)

где хв - перемещение стеблей по пальцу; fп - коэффициент трения стеблей о палец; п - угловая скорость пальца; in - число стеблей на погонном метре ленты льна; g - ускорение свободного падения; t - время; lп - длина пальца; hп - расстояние от пальца до поверхности поля в нижнем положении; Мп - момент, необходимый для вращения пальца; mc - масса стебля.

Для осуществления подбора стебли льна не должны сползать с пальца на величину, большую хпв0, которая равна расстоянию от конца пальца до точки первоначального контакта стебля льна с ним. Это возможно лишь при наличии силы Рв, действующей со стороны ленты льна на стебли находящиеся в контакте с пальцем.

Обоснована форма направляющих прутков. Установлено, что прутки в заходной части должны выполняться в виде окружности с радиусом

, (3)

где Нл max - максимальная толщина ленты льна; hрп - толщина ремня перекрестного транспортера; rбп - радиус подбирающего барабана; Ноу - начальная ширина канала, образованного перекрестным транспортером и направляющими прутками; fнп - коэффициент трения стеблей льна о направляющие прутки.

В надбарабанной части прутки должны иметь форму логарифмической спирали с полюсом в центре вращения подбирающего барабана:

, (4)

где Rп C - параметр спирали, равный rбп + hрп + Ноу; kc - угловой коэффициент, равный ctgсп; сп - угол между касательной к спирали и полярным радиусом Rпi.

Зная угол de наклона рабочей ветви перекрестного транспортера к горизонту и полярный радиус Rп D в месте перехода надбарабанного участка прутков в винтообразный, по номограмме на рис. 5 определяют параметры спирали.

Рассмотрен процесс движения ленты льна при подборе. В зависимости от действующих на нее сил можно выделить три участка: аb, bс и cd (рис.6).

На участке аb (рис.6, а) лента льна находится в свободном состоянии и на нее действует растягивающее усилие (рис.6, б)

,

где Fтл - сила трения стеблей льна о почву; Рсл - сила сцепления ленты льна с почвой; lab - длина пролета аb.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Схемы для определения усилий, действующих на ленту при подборе

На данном участке состояние ленты льна описывается уравнениями:

(5)

где Tb - растягивающее усилие в точке b; пb - угол между осью Оу и отрезком О1b; q - нагрузка эквивалентная распределенной нагрузки от веса q ленты льна; hb= hбп Rпsinпb, где hбп - расстояние от поверхности льнища до центра вращения подбирающего барабана, равное hбп = rбп+hп, где hп - расстояние от поверхности поля до подбирающего барабана.

Длина Sab ленты льна на участке аb находится из формулы:

Движение ленты льна на участке bc (рис. 6, в) с учетом того, что силы п bc трения стеблей о направляющие прутки равны fнпnbc, описывается уравнениями:

(6)

где vлп - скорость ленты льна (принимается равной скорости vтп ремня транспортера); Tc - растягивающее усилие в точке с; nbc - реакция со стороны прутков на ленту льна.

На участке cd (рис. 6, г) происходит вход ленты льна в канал транспортера и на нее со стороны направляющих прутков и ремня, действуют силы п cd и р cd трения и давление рп cd и рр cd. Здесь ее состояние описывается уравнениями:

(7)

где бп D - полярный угол в месте перехода надбарабанного участка прутков в винтообразный; fрп - коэффициент трения стеблей льна о ремень транспортера; Td - растягивающее усилие в точке d.

По полученным уравнениям построены графики изменения растягивающего усилия Таd ленты льна во время подбора при разных значениях радиуса Rп заходной части направляющих прутков (рис. 7, а).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Rп: a1b1c1d1 0,05м, a2b2c2d2 0,15м, a3b3c3d3 0,25м; Fт cd; Pпп; Fp cd

Рис. 7. Усилие Тad растяжения ленты льна (а) и силы, необходимые для ее транспортирования (б) при подборе

Из графиков на рис. 7, а видно, что на участке аb растягивающее усилие Таb растет незначительно, так как здесь лента льна растягивается только под действием собственного веса q и сил Рсл сцепления и трения Fтл с льнищем.

На участке bc происходит возрастание усилия Тbc за счет силы Fт bc трения, возникающей при контакте ленты льна с направляющими прутками. При больших радиусах Rп заходной части направляющих прутков растягивающее усилие Тbc растет более плавно, тем самым снижается динамическое воздействие на ленту льна, риск нарушения целостности ленты и повышается надежность выполнения технологического процесса.

На участке cd происходит резкое возрастание растягивающего усилия Tcd за счет сжатия ленты в поперечном направлении и роста сил Fп cd трения стеблей о направляющие прутки с постепенно уменьшающимся радиусом кривизны. Как правило, при таком растягивающем усилии Tcd, какое возникает на участке cd, лента теряет свою целостность, но так как здесь она уже находится в канале зажатой с обеих сторон, то осуществляется ее транспортирование за счет сил Fт cd трения с ремнем транспортера и реакции Рпп со стороны пальцев, расположенных на нем. Для транспортирования ленты льна необходимо, чтобы суммарные силы Fp cd, действующие на ленту со стороны ремня с пальцами, были больше сил Fп cd трения стеблей о направляющие прутки. На рисунке 7, б графически представлены силы, необходимые для подбора ленты льна. Из графиков видно, что наибольшая нагрузка Рпп на пальцы действует только в начале участка сd. По мере продвижения стеблей к точке d давление в ручье растет, возрастают и силы Fт cd трения стеблей о ремень транспортера, и в какой-то момент их становится достаточно для перемещения ленты льна (место на графике, где Рпп принимает отрицательные значения).

Исследованиями установлено, что при выборе угловой скорости бп подбирающего барабана, необходимо учитывать удлинение ленты льна при подборе. С учетом этого значение угловой скорости бп должно лежать в интервале:

, (8)

где л - коэффициент, учитывающий удлинение ленты льна, равный 0,85…0,95; vм - скорость машины.

При обосновании параметров ременно-пальцевого перекрестного транспортера установлено, что ширина Нк канала для удержания ленты льна в момент оборота должна находиться в пределах:

, (9)

где Нл - толщина ленты льна; qрас - давления сжатия одного стебля, при котором происходит его повреждение (расплющивание); dнп - диаметр направляющих прутков; рвг и аг - константы, характеризующие свойства стеблей льна.

Для автоматической регулировки ширины Нк канала транспортера направляющие прутки могут выполняться подпружиненными. В этом случае жесткость спр пружин находится из выражения:

(10)

где Sde - длина участка транспортирования ленты льна; хпр 0 - предварительная деформация пружин; hк 0 - минимальная фиксированная ширина Нк канала транспортера.

Для избежания повреждений стеблей в момент выхода ленты льна из канала перекрестного транспортера со стороны выходного шкива должны быть установлены направляющие прутки, выполненные в виде логарифмической спирали с полюсом, совпадающим с осью шкива:

(11)

где rшп - радиус выходного шкива; пп - угол наклона фронтальной кромки пальца к плоскости ремня; с - угол на который изменяет направление движения лента льна при выходе из канала транспортера.

При перемещении ленты льна в канале транспортера возможно скольжение стеблей по фронтальной кромке пальцев, которая для исключения затягивания стеблей на выходной шкив при выходе ленты льна из канала транспортера выполняется под углом пп к плоскости ремня. В этом случае резко увеличиваются энергозатраты при перемещении ленты льна, вследствие усиления давления со стороны стебельной массы на направляющие прутки, расположенные над пальцами, и возрастания сил трения о них. Для предотвращения скольжения стеблей по пальцам необходимо, чтобы угол

, (12)

где fзп - коэффициент трения стеблей о пальцы транспортера.

Радиус rшп выходного шкива находят из формулы:

, (13)

где hпп - высота пальца транспортера.

Необходимое число nтп пальцев на ремне перекрестного транспортера определяют из неравенства:

, (14)

где Lтп - длина ремня транспортера; рde и рзп - давления со стороны стеблей на участке транспортирования, соответственно, на направляющие прутки и пальцы, которое приближенно можно найти из выражения:

В четвертом разделе «Теоретическое обоснование рабочих органов для отделения семенных коробочек от стеблей» рассмотрено явление захлестывания стеблей льна при очесе, построены математические модели работы усовершенствованного гребневого очесывающего аппарата и динамического монощелевого очесывающего аппарата, обоснованы параметры и режимы работы последнего и приведен алгоритм их расчета.

При очесе стеблей льна происходит явление захлестывания, при котором наблюдается изгиб стебля в сторону рабочего органа, а вершина стебля, несущая семенную массу, совершает движение по траектории sк, огибающей рабочий орган (рис. 9, а). Предпологается, что изгиб стебля вызывают неуравновешенные силы упругости, возникающие в зоне напряженного состояния при деформации стебля под воздействием рабочего органа. Явление захлестывания крайне нежелательно при очесе стеблей льна очесывающими аппаратами гребневого типа, так как его рабочие органы - зубья, расположены в ряд с небольшими зазорами, через которые протягиваются стебли. Во время очеса коробочки из двух соседних зазоров движутся навстречу друг другу, спутывая верхушки стеблей, и при дальнейшем движении зуба происходит их разрыв, что приводит к большому отходу стеблей в путанину. При очесе стеблей льна динамическим монощелевым очесывающим аппаратом явление захлестывания играет положительную роль, так как у этого аппарата рабочим органом является очесывающая лопатка, состоящая из двух половинок серповидной формы, между которыми имеется очесывающее щелевое пространство, сквозь которое протягиваются стебли. При захлестывании верхушки стеблей не встречаются друг с другом, их скорость vк падает, а ускорение aк неограниченно возрастает (рис. 9, б), что ведет к росту сил инерции, под действием которых происходит отрыв семенных коробочек от стеблей без контакта с рабочим органом. Это дает большой процент неразрушенных семенных коробочек и отсутствие путанины в ворохе.

Для уменьшения путанины в ворохе при очесе стеблей гребневым очесывающим аппаратом предлагается его модернизация, заключающаяся в подпружинивании эксцентрика, что дает возможность гребням отклоняться при возрастании усилия на зубьях (процесс демпфирования). С изменением конструкции аппарата он приобретает дополнительную степень свободы, и процесс его работы описывается уравнениями:

где Мб - момент, необходимый для привода очесывающего барабана; экс - угол отклонения эксцентрика (гребня); Роч с - среднее значение усилия очеса; Роч 1 - амплитуда изменения усилия; kоч частота изменения усилия; t - время прочеса; экс 0 - начальный угол отклонения эксцентрика (гребня); rог - удаление вала гребня от главного вала барабана; lз - расстояние от оси Ог вала гребня до точки приложения силы на зубьях гребня; д - угловая скорость очесывающего барабана; спр - жесткость пружины эксцентрика; хпр 0 - предварительная деформация пружины эксцентрика.

Исследования динамического монощелевого очесывающего аппарата показали, что лопатки движутся по удлиненной циклоиде относительно стеблей льна. Аппарат работоспособен при угловой скорости

. (15)

где vтз - скорость зажимного транспортера; rбо - радиус очесывающего барабана.

Процесс очеса лопаткой можно разделить на три этапа: захват стеблей, их перегруппировка и протяжка. Если принять за начало отсчета нижнее положение лопатки относительно зажимного транспортера, то захват стеблей необходимо производить, когда очесывающий барабан повернется на угол

, (16)

За время перегруппировки очесывающий барабан повернется на угол

, (17)

где rло - радиус лопатки.

Продолжительность протяжки зависит от угла оч поворота барабана за один прочес, который определяется по формуле:

,

где hбо - расстояние от оси вращения очесывающего барабана до зажимного транспортера; lтс - расстояние от зажимного транспортера до вершины стеблей льна.

Угол бо 3 поворота барабана на этапе протяжки найдем из выражения:

(18)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проведен анализ взаимодействия стеблей льна с лопатками на каждом этапе и получены зависимости, описывающие изменение скорости и ускорения точки А контакта растений с рабочим органом на этапе группировки.

Анализ показал, что точка А контакта совершает сложное движение, складывающееся из относительного вдоль кромки лопатки и переносного вместе с лопаткой (рис.10). Графики, описывающие изменения скорости и ускорения точки А контакта, показаны на рис. 11.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Скорости (а) и ускорения (б) точки А контакта стебля с рабочей кромкой лопатки на этапе группировки стеблей при очесе

Из графиков на рис. 11 видно, что значения переносных скоростей vперА, vперА и ускорений аперА, аперА в процессе этапа группировки стремятся к единому значению, что объясняется формированием пучка стеблей при очесе. Относительные же значения скоростей vот и ускорений аот n, аот , а также значение кориолисова ускорения акор неограниченно возрастают. Они играют на этапе группировки решающую роль, так как значения абсолютных скоростей vабА, vабА и ускорений аабА, аабА также неограниченно возрастают.

Чтобы избежать повреждения семенных коробочек ширина hло очесывающего щелевого пространства должна определяться по формуле:

, (19)

где - коэффициент бокового распора стеблей при сжатии; Fотр ц - усилие отрыва цветоножки стебля льна; fкл - коэффициент трения стеблей льна с лопаткой; dc - диаметр стебля.

Для качественного очеса стеблей льна лопаткой необходимо, чтобы очес происходил на всю зону bск расположения семенных коробочек (рис.12). Это выполнимо при радиусе

. (20)

Число zл лопаток на барабане должно удовлетворять неравенству:

.

(21)

При очесе стеблей льна динамическим монощелевым очесывающим

Размещено на http://www.allbest.ru/

аппаратом стебельная масса протягивается сквозь очесывающее щелевое пространство лопатки. При этом на нее действуют силы Fтк трения и нормальная реакция Nк. Очесывающий барабан при установившемся процессе вращается с постоянной угловой скоростью бо, поэтому сумма моментов всех сил, действующих на барабан относительно оси О его вращения, равна нулю. Исходя из этого, нашли мощность Nоч, затрачиваемую на очес стеблей (рис. 13):

, (22)

Размещено на http://www.allbest.ru/

где RлА - расстояние от оси барабана до точки приложения сил; А - угол между силой Fтк трения и ее проекцией FткcosА на плоскость xOz; А и А - углы между проекцией FткcosА силы Fтк трения на плоскость xOz и осями координат Ox и Oz соответственно.

Расчеты показали, что мощность Nоч, затрачиваемая на очес стеблей льна лопаткой составляет 0,45…1,62 кВт в зависимости от влажности стеблей льна.

В пятом разделе «Теоретическое обоснование устройства для принудительного расстила лент льна-долгунца» построены математические модели движения стеблей льна по расстилочному щиту, обоснованы параметры пальцев и ручья расстилочного транспортера, разработан алгоритм расчета параметров и режимов работы устройства для принудительного расстила лент льна.

Рассмотрено свободное движение стеблей по расстилочному щиту (рис. 14). На стебли при этом действуют: сила G тяжести; нормальная реакция Nщ; силы Fтщ, Pвс и Рсц соответственно трения, сопротивления воздуха и сопротивления вследствие сцепления стеблей. Скорость vлр стеблей по щиту в зависимости от перемещения х находится из выражения:

, (23)

где mn - масса стеблей на щите; щ - угол наклона расстилочного щита к горизонту; kсц - опытный коэффициент, зависящий от количества семенных коробочек на стебле (при числе семенных коробочек 2…10 шт. может быть принят 0,01…0,05 кгм/с2); nкс - количество семенных коробочек на стебле; kвс - коэффициент, определяемый опытным путем (принимается равным 0,41…0,52 кг/м); fтщ - коэффициент трения стеблей о поверхность расстилочного щита; vлр 0 - начальная скорость стеблей.

Из выражения (23) получены значения угла щ наклона расстилочного щита в зависимости от перемещения х и угла тщ трения стеблей о поверхность щита, при котором происходит расстил стеблей без ухудшения качества ленты льна (рис.15).

Из рис. 15 следует, что с увеличением скорости vм машины и перемещения х угол щ наклона щита к горизонту также необходимо увеличивать, так как при большей скорости vм машины скорость vлр ленты льна с целью сохранения ее целостности должна тоже возрастать. Отсюда видно, что при расстиле стеблей под действием собственного веса и сил инерции качество выполнения технологического процесса зависит от многих параметров и не является стабильным, поэтому наиболее целесообразно применять расстилочные устройства с принудительным расстилом ленты растений.

В продольно-поперечных льноуборочных машинах (типа комбайна ЛК-4А) с устройством для принудительного расстила лент льна (рис. 2) стебли перемещаются боковой кромкой ремня, оснащенной пальцами, с поворотом на 90. При перемещении ленты льна на стебли действуют силы трения, препятствующие движению и центробежные силы инерции, стремящиеся сместить ленту льна с заданной траектории при повороте. Для осуществления перемещения ленты льна по заданной траектории к ней со стороны пальцев должны быть приложены силы

где рлр и рлр - силы, действующие в направлении и перпендикулярно движению ленты льна; щр - угол разворота ленты льна на расстилочном щите; щх и щy - углы наклона расстилочного щита к горизонту в направлении и перпендикулярно движению машины; rлр - радиус кривизны поворотного участка ручья расстилочного транспортера.

На рис. 16 представлены графики сил, действующих на ленту льна при ее перемещении по расстилочному щиту. Из графиков на рисунке 16 видно, что при небольших коэффициентах fтщ трения (0,3 и 0,6) не требуется усилия рлр для перемещения ленты льна, так как она движется по расстилочному щиту под действием собственного веса (отрицательные значения рлр). Однако, при этом возможно смещение ленты льна относительно заданной траектории, о чем говорят возрастающие силы рлр. С возрастанием коэффициента fтщ трения (0,9) на начальном этапе требуется приложение усилия рлр для перемещения ленты льна (положительные значения рлр). Такая ситуация возможна при расстиле влажных стеблей льна. Отсюда можно сделать вывод о том, что для стабильной работы устройства необходима установка пальцев на боковой поверхности ремня транспортера. Причем, пальцы должны работать как в продольном, так и в поперечном направлениях. Это возможно при их проникновении в ленту льна, так как только это обеспечит надежное удержание и транспортирование стеблей.

Чтобы избежать смещения ленты льна под действием центробежных сил инерции число пальцев на ремне расстилочного транспортера должно удовлетворять неравенству:

, (26)

где рпл - реакция, действующая на ленту льна со стороны одного пальца.

При подачи ленты льна в расстилочное устройство для проникновения пальцев в слой стеблей их вершина должна располагаться навстречу движению ленты. В дальнейшем за счет криволинейной формы пальцев и поворота ремня производится захват стеблей. Для надежного удержания ленты льна необходимо, чтобы пальцы пронизывали ее насквозь и при входе в слой стебли оказывались под кривой, по которой изогнут палец (рис. 17).

Это осуществимо, когда палец находится к плоскости ремня под углом

, (27)

где т - угол подачи ленты льна в расстилочное устройство по отношению к горизонту; l0 -расстояние от места подачи ленты льна до расстилочного устройства по горизонтали; vт 0 - первоначальная скорость подачи ленты льна; у1 - координата первоначальной точки контакта стеблей с вершиной пальца, которая определяется по формуле:

где h0 - расстояние от места подачи ленты льна до расстилочного устройства по вертикали.

Максимальная высота hпб пальца над боковой поверхностью ремня, приближенно равная радиусу rпр окружности пальца, и высота hпв расположения вершины пальца над плоскостью ремня должны быть больше или равны толщине Нл ленты льна:

, (28)

где lп - длина пальца, выступающая над плоскостью ремня.

В местах сопряжения прямолинейных участков движения ленты льна с криволинейным, которые имеют место при входе ленты в расстилочное устройство и выходе из него, из-за резкого изменения радиуса кривизны центробежная сила инерции терпит разрыв непрерывности, вследствие чего ее значение мгновенно меняется от нуля до величины не равной нулю. Это может вызвать смещение ленты льна с заданной траектории. Чтобы избежать данных негативных явлений ручей расстилочного транспортера должен быть выполнен в виде кривой, радиус кривизны которой сначала постепенно убывает от бесконечного значения до какой-то величины, а затем снова постепенно прибывает до бесконечного значения. В соответствии с этим центробежная сила будет сначала постепенно увеличиваться, а затем постепенно уменьшаться.

В качестве такой кривой можно, например, воспользоваться отрезками ВF и FD кубической параболы, сопряженными в точке F и имеющими в ней общие касательную и радиус rcf кривизны (рис. 18):

, (29)

где kкп - угловой коэффициент кубической параболы, определяемый из выражения:

. (30)

где abd - расстояние по осям между точками B и D входа и выхода ленты льна из расстилочного устройства.

Координаты точки F сопряжения находят как:

, (31)

Радиус кривизны в точке F сопряжения определяется из формулы:

, (32)

а координаты точки С центра кривизны равны:

, . (33)

В шестом разделе «Теоретическое обоснование центробежного дебалансного выравнивателя стеблей льна-долгунца в ленте» рассмотрен вопрос устойчивости стеблей при выравнивании, исследован процесс работы выравнивающего устройства, обоснованы его параметры и режимы работы, разработан алгоритм их расчета.

Амплитуду колебаний подбивающей планки выравнивателя можно найти из решения дифференциального уравнения вынужденных колебаний центра инерции системы:

, (34)

где mдв - общая масса дебалансов центробежного вибровозбудителя; rдв - эксцентриситет расположения массы дебалансов; сжс - жесткость упругих связей; kсв - внутреннее сопротивление; - угловая скорость дебалансов; t - время; mув - общая масса колеблющихся частей устройства для выравнивания стеблей в ленте с учетом массы выравниваемых стеблей.

На рисунке 19 представлена зависимость коэффициента динамичности д от отношений /рув и 2nув/pув, где рув - постоянная, зависящая от свойств системы; nув - коэффициент, характеризующий вязкость системы.

Как видно, при = рув имеет место резонанс, а при рув амплитуда стремится к значению р2ув, где = mдвrдв/ mув. Поэтому для зарезонансной настройки вполне допустимо амплитуду колебаний выравнивателя принимать равной .

Так как центробежное дебалансное устройство для выранивания стеблей в ленте отличается высокой частотой колебаний с небольшой амплитудой, то для достижения необходимого перемещения стеблей в ленте подбивающая планка должна быть установлена под углом пл к направлению ее движения. Угол пл определяется в зависимости от растянутости рл ленты льна:

, (35)

где lг - горстевая длина стеблей; Lпл - длина подбивающей планки.

При перемещении ленты льна подбивающая планка воздействует на комлевую часть стеблей, вследствие чего происходит их выравнивание. По мере выравнивания и продвижения ленты льна над планкой все большее количество стеблей вступает с ней в контакт. Предположим, что этот процесс можно описать функцией:

,

где ic - число стеблей, вступивших во взаимодействие с подбивающей планкой; sc - перемещение стеблей льна над планкой.

Проинтегрировав данную функцию по sc получим общее число icп стеблей взаимодействующих с планкой в каждый момент времени. Умножив icп на усилие Fтр (силу трения) осевого перемещения стебля в ленте льна и скорость vпл подбивающей планки, получим мощность Nвс, затрачиваемую на выравнивание:

, (36)

где Lпл - проекция длины подбивающей планки на направление движения ленты льна, равная Lплcosпл.

Для снижения нагрузки на направляющие устройства для выравнивания стеблей в ленте необходимо, чтобы подбивающая планка крепилась к вибровозбудителю в месте расположения ее центра тяжести. При этом необходимо учитывать усилие, оказываемое на планку со стороны стебельной массы. Так как по длине Lпл планки с ней взаимодействует неодинаковое количество стеблей, то ее центр тяжести не будет располагаться посередине. С учетом этого, построен график выбора расстояния lпл до точки крепления подбивающей планки к вибровозбудителю (рис. 20).

Чтобы выровнять стебли льна в ленте, подбивающая планка, расположенная под углом пл к направлению движения ленты, должна переместить стебли на расстояние Lплsinпл. Для этого в идеальном случае необходимо, чтобы подбивающая планка воздействовала на стебель nпл раз с амплитудой . Однако, в реальности число nпл воздействий должно быть большим, так как при ударе подбивающей планки по стеблю происходит его упругая деформация с последующей релаксацией. С учетом этого явления, частота колебаний подбивающей планки рассчитывается по формуле:

, (37)

где E - модуль деформации стебля; Fc - площадь поперечного сечения стебля; vлв - скорость ленты льна; lc - длина стеблей.

Для осуществления процесса выравнивания стеблей льна в ленте сила воздействия подбивающей планки на стебельную массу должна быть больше или равна силе, которая необходима для перемещения icп стеблей в ленте. Это выполнимо при соблюдении условия:

. (38)

В седьмом разделе «Исследование технологических и физико-механических свойств стеблей льна-долгунца» дан обзор работ ряда авторов по исследованию физико-механических свойств стеблей льна-долгунца, проведены экспериментальные исследования, подтверждающие выдвинутые предположения и необходимые для расчета параметров и режимов работы разработанных технических средств. Исследование проводилось на специальных установках с использованием методов тензометрирования и комплексного статистического анализа.

С целью проверки возможности дозревания семян в коробочках при их естественной сушке были проведены эксперименты, объектом исследования которых являлся среднеспелый сорт Ленок с густотой стеблестоя 1264 р./кв.м и высотой растений 50…55 см. Схема опыта: семена дозревают в коробочках на вытеребленных растениях; семена дозревают в коробочках на срезанных соцветиях длиной 10…15 см; семена дозревают в коробочках, срезанных с растений.

Результаты исследований приведены на рис. 21.

Из диаграмм на рис. 21 видно, что с течением времени происходит снижение влажности коробочек, причем наиболее интенсивная потеря влаги происходит в первые 6…7 дней после отбора пробы, после чего процесс протекает более плавно. За это время происходит полное дозревание семян до высоких посевных кондиций. Масса 1000 семян после дозревания мало зависит от схемы опыта и составляет для семян убранных: в зеленой спелости 3,98…3,99 г; в ранней желтой спелости 4,27…4,36 г.

В целом эксперименты показали, что главным условием получения качественных семян, пригодных для посева, является обеспечение постепенного снижения влажности семенных коробочек.

Исследования по определению коэффициентов fтл трения стеблей льна о поверхность почвы проводились на стеблях льна различной влажности Wc и диаметра dc.

В результате экспериментов определено, что на коэффициент fтл трения значительное влияние оказывает засоренность почвы и в меньшей степени влажность Wc и диаметр dc стеблей. Регрессионный анализ установил линейную зависимость коэффициента fтл трения от угла ст расположения стебля к направлению перемещения (рис. 22).

Для определения зависимости между физиологическими характеристиками растений льна у отобранных на опытном поле стеблей замерялись следующие показатели: общая длина lc стеблей; зона bск расположения семенных коробочек на стебле; диаметр dc стеблей; число nкс семенных коробочек на стебле; наиболее слабое на разрыв место стебля с определением разрывного усилия Fотр ц.

В результате установлено, что между всеми характеристиками стебля присутствует корреляционная зависимость. Наиболее сильно она выражена между следующими показателями: число nкс коробочек на стебле и зона bск их расположения (коэффициент корреляции 0,823); число nкс коробочек и диаметр dc стебля (коэффициент корреляции 0,701); усилие Fотр ц отрыва цветоножки и диаметр dc стебля, число nкс коробочек на стебле, а также зона bск их расположения на стебле (коэффициенты корреляции 0,68 0,675 и 0,627, соответственно). Среднее значение усилия Fотр ц: для свежевытеребленных стеблей 32,4 Н; для стеблей семидневной вылежки 28 Н.

Опыты по определению усилия Fтр (сил трения) при осевом перемещении стеблей льна внутри ленты проводились на участках лент с различным числом in стеблей на одном погонном метре с различной влажностью Wc материала.

Определено, что усилие Fтр зависит от влажности Wc стеблей и не зависит от числа in стеблей на одном погонном метре ленты и расположения их в ленте. Регрессионный анализ установил линейную зависимость между перемещением lсл стебля и усилием Fтр (рис. 23). Среднее значение Fтр равно 0,48 Н.

В восьмом разделе «Экспериментальные исследования рабочих органов машин для уборки льна-долгунца» приведены методика, описание приборов и оборудования, а также результаты экспериментальных исследований разработанных рабочих органов.

Эксперименты проводились на специально разработанных установках и макетных образцах с использованием методов многофакторного планирования и тензометрирования.

Исследования процесса очеса семенных коробочек лопаткой динамического монощелевого очесывающего аппарата позволили построить эмпирические функции отклика, характеризующие чистоту Y1 очеса и повреждения Y2 стеблей, влияющие на выход длинного волокна в зависимости от формы X1 лопатки, ширины X2 очесывающего щелевого пространства и массы X3 очесываемых стеблей:

; (39)

(40)

По этим уравнениям были построены графики представленные на рис. 24.

Форма Фл (Х1) лопатки: а спираль, б окружность, в парабола