автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Определение параметров зерноуборочных жаток на основе математического моделирования технологического процесса

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Гутров Михаил Александрович

технологического процесса

05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата техтачесжжх наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических нау к, профессор Жилкин ВА.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Иванов И.А.

Челябинск: - 1999г.

РЕФЕРАТ

В диссертации описываются разработанные автором модели технологических процессов деформирования стеблей злаковых колосовых культур при щс контактом . взаимодействии с рабочими органами зерноуборочных жаток. Методики базируются на результатах численного решения задачи геометрически нелинейного деформирований, стебля злаковой культуры.

Предложена методика расчета деформирования хлебной массы граблиной мотовида для различных условий и режимов эксплуатации жаток. Определяются нагрузки, действующие как на мотовило, так и на механизм привода жатки.. Разработаны соответствующие алгоритм» я программы, для. ЭВМ. .,, V

Предложена методика расчета .степени пешегдоетн злаковых культур^., позволяющая нрогаозироадть степень ше. талегдостя в .зависимости от ожидаемых метеоусловий ж фшжко-механшшежиж характеристик стеблей.

Проведены экспериментальные исследования по деформированию и разрушение стеблей злаковой, колосовой, культуры сегм^ита^и релсущих аппаратов зерноуборочной жатки. Получены сведения о характере изменения силы резания в зависимости от времени, а также форме поперечного сечения стебля в процессе его квази стати ческого нагружения.

На всех этапах работы результаты расчетов сопоставлялись с экспериментальными данными. Разработанные в диссертации модели могут быть использованы при проектировании и испытании жаток зерноуборочных машин.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................... 7

ЧАСТЬ I. Модель деформирования хлебной массы, при контактной взаимодействия с граблиной ¿готовила ..... . Щ, Глава 1 .Анализ методов расчета деформированного состояния

стебля злаковой культуры ......................... 22

I Д. Методы расчета деформированного состояния стебля .,,,, 22

1.2. Методы расчета деформирования и разрушения стебла срезом ......................................................................30

1.3. Специашш архитектоника растений...........____.. > 38

1.4. Задачи дальнейших исследований...................... 42.

Глава 2. Расчет деформированного состояния одного стебля

злаковой колосовой культуры...................... 44

2.1. Допущения и гипотезы принимаемые при расчете деформированного состояния стебля злаковой культуры., как объекта межаташ гибких, стержней..............._________ 45

2.2. Вывод дифференциальных уравнений равновесия стебля... 46

2.3. Численное интегрирование дифференциальных уравнений .. 49

2.4. Оценка погрешности численного интегрирования диффе-

ре нциал ь н ых у равнений рав новесия ..............................53

Глава 3. Моделирование ковд&ктикш задачи нелинейного деформирования стебля злаковой культуры граблиной мотовила ......................................... 56

3.1. Расчетная схема стебля злаковой культуры при контактном взаимодействии с граблиной мотовила..................... 57

3.2. Сводная система уравнений для решения контактной задачи взаимодействия грабшны со стеблем...................... 59

3.3,Численное решение задачи контактного взаимодействия

грабли ны со стеблем...........................................62

3.4. Результаты расчета контактно! зада® 64 Глава 4, Модель деформирешяш ждебщой. шщ грабянщдй:

мотовила зершуборочимх жаток„...............................74

4.1. Анализ реализуемых форм деформирования; грушм. стеблей.. 74

4.2. Модель контактного деформировани 1 хлебной- массы без учета сил взаимодействия между стеблями............................7В

4.2.1. Общая система уравнений ....................... 78

4.2.2, АдаиШ результатов расчета деформирования.'хлебной массы .................................................79

4.3. Модель контактного деформирования хлебной массы с учетом сил взаимодействия между стеблями ...................................84

4.3.1. Общая система уравнений..........................................84

4.3.2, Модель контактного деформировали, двух стеблей... 88

4.3.3, Расчет деформирования группы .стеблей.._____.... 97

4.3.4. Анализ результатов расчета .....................98

4.4. Анализ двух моделей деформировани» раетшжж ..................104

4.5. Сравнение величин основных технологических параметров» применяемых ври обосновании выбора регулировок мотовила, с полученными расчетными данными ...............................106

4.5.1. Коэффициент полезного действия мотовила. 106

4.5.2. Положение центра тяжести злаковых культур..............107

Глава 5. Методика расчета стеблевого полегания злаковых

зерновых культур ... ........................................1.15

5.1. Номограммы для определения максимальных прогибов рас- 118 тений.................................................

5.2. Методам расчета степени и направления полегл ости злаковых зерновых культур................................... 121

5.3. Лку сти ческм й метод определения физико-механических свойств стеблей злаковых колосовых культур ............______ 126

Глава 6, Экспериментальная проверка математической модели деформировиння стеблей злаковых колосовых культур.......................................... 134

6.1.Деформированное состояние одного стебля йод действием заданной тшитш нагрузки ... <......,..,................. 134

6.2.Деформированное состояние одного стебля при контактном взаимодействии с грабдиной мотовила..................... 137

6.3.Деформированное состояние двух стеблей при контактном взаимодейс^жй с граблшой мотодала...........................139

ЧАСТЬ П. Деформирование к разрушение стебля злаковой

культуры в процессе резания ..................... 142

Глава 1. Экспериментальное исследование деформированного

состоянии стебля приг разрушении срезом ........... 144

7.1. Квази статическое контактное деформирование и разрушение стеблей злаковой культуры .............................. 144

7.1.1. Экспериментальная установка для резания стеблей..... 146

7.1.2, Резани© при высокочастотном колебании нротиворежу-

щей пластины.........................................148

7.2.Анализ диаграмм резания стеблем...........................153

8. Расчет количества энергии? необходимого для привода

жатки зерноуборочной машины .......................................162

8.1. Расчет мощности на привод режущего аппарата жатж ЖВН-6А........................................... 162

8.2. Расчет мощности привода жатки ЖВН-6А (мотовило я режущий аппарат)..................................... 164

8.3. Расчет экономической эффективности внедрения результатов, полученных, по предложенным матемашчшгам.. моделям. .................................................... 166

9. Заключение и выводы................................... 171

Литература................................................. 174

Приложения.............................................. 183

ВВЕДЕНИЕ

Создание на современном этапе высокопроизводительных сельскохозяйственны?? МОДЩ щ. агрегатов связано с. более точным проецированием и расчетом процессов йзшжодежствшг рабочих органов уборочных машин с объектами уборки иди обработки, В соохветсттаи. о общей, котаев.щзш. развитая: мезщшш-ции уборочншс работ зерновых на ближайшие 10-15 лет [6,50] далесообразщ разработка жаток имеющих более дашуш металлоемкость в.- сравнении с существующими щовструщцшми: 120-240 кг на метр щирицы захвата да» самоходных. жаток и 185-190 для. прицепных.. В связи- с чем,- основной.- задачей.-конструкторов и учшых? сельхозмашиностроителей в области создания жаток для эффективной, реализаций прямого комбайниреванж» и. раздельной, уборки, является обесйечение хозяйств жатками шириной захвата от 3,5 до 13 метров, хедерами от 1,8 до 11 метров. Снижение металлоемкости:, увеличение ширины, захвата й рабочих скоростей сед&скбхозшствсшж^ моинш прбдшишя: повышенные требования, к точвоета инженерных проектировочных расчетов^ выбору технологических параметров, влияющихка качества уборки» оценке потерь^ возникающих .ори взаимодействии рабочих органов машин с растениями. В связи с этим, важной задачей земледельческой механики^ является разработка математических., моделей. сельскохозЛсТвшнмх. растеши, взаимно воздействующих с рабочими органами сельскохозяйственных механизмов и машин.

• Объектом иоелмовщм. щщшш живой организм, сложный, как но внутренней структуре, так и по свойствам, присущим данному организму, изменяющимся в процессе роста. Поэтому в дадьнейщем будем рассматривать только состояние восковой ш полной' спелости стеблей злаковых культур;

• С точки зрения механики, даже при фиксированном времени, стебель злаковой культуры следует .рассматривать как неоднородный, анизотропный, гибким. стержень, Задачи..о. деформировании, таких стержней шшштичсским-ж мешда&ш» как прадшо, не решаются,. В оатзж с этаж, требуется, разработка соответствующих чиедешшх методов.

Созданий единых методов оцейш и расчета йайряжевюо-деформированного шстдадая гругош стеблей при контактном, взаимодействия с рабочими оргащвш уборощых машин» позволит более точно учитывать потери энергии, потери зерна, и, соответственшо, затраты ш выполнение тех; иди. иных видов сельскохозяйственных работ. С другой стороны, создание единой методики ртщтия контактных задач дозволит ловнштъ .эффективность и качество проектирования сельскохозяйственной техники, а разработка стандарта на решеше укшашнх.. задач, значительно упрости .работу -.-щшевдза-проектировщика. В целом, это позволит выйти на качественно новый, уровень сельскохозяйственной, техники.

В соответствии с изложенным ь-мшс, была определена цель данной работы, заключающаяся в создании модели стебля злаковой культуры адекватно описывающей известные экспериментальные результаты в области исследования технологического процесса жаток зерноуборочных машин. В частности требовалось:

• Основываясь на механике гибких стержней построить математическую модель контактного взаимодействия граблинъг мотовила со стеблем заащйои колосовой »удьтуры;

• Предложить м.о дел ь дефор м и ро ваи и я и разру ше н и я стсоля при его зании;

• Разработать методики использования полученных моделей при:

1. цроедшроваши оедьскохозшствешой техники;

2. оценке потерь, возникающих при уборке хлебной массы;

3. прогнозировании полегаемости сельскохозяйственных культур,

• На основе подученных методик, разработать программный пакет для ЭВМ, позволяющий рассчитывать деформированное и напряженное состожнда стеблей злшовшс культур.

Содержание диссертация состоит из введения, двух частей (первая часть включает в себя шесть глав, вторая часть - две главы), заключения и списка литературы и приложений.

Первая чащ» щстощдей работы посвящена исследованию контактного взаимодейетш мотовила с группой стеблей при различных технологических параметрах работы зерноуборочной жатки. Ряд результатов, полученных на основе предложенной модели, позволили впервые описать математически неблагоприятные технологически явления, как опрокидывание растений через планку, наматывание растений на граблину мотовила. Кроме того, впервые численно рассчитан» значения коэффициента взаимодействия между растениями [47] и коэффициента полезного действия мотовила при., работе на тареуплотмешюм хлебостое.

В главе первой приведен обзор существующих методов расчета на прочность стеблей злаковых культур, при различных видах их нагружения. Проведен анализ существующих моделей деформирования стеблей. На основе сделанного анализа сформулированы задачи далБнейпшж исследований.

Во второй главе рассмотрены основы расчета напряженно-деформированного состояния стебля злаковой колосовой культуры. Изложены основные гипотезы, принимаемые при расчете стебля. Получены дифференциальные уравнения, описывающие математическую модель стебля. Изложена методика решения краевой задачи деформирования стебля на основе численных методов. Проведена оценка погрешности, численного решения задачи

В третьей главе описывается математическая модель деформирования стебля с граблшс» мотовма жален.. Впервые для рассматриваемое контактной задачи подучена замкнутая система дифференциальных и алгебраических урав-

нений. Изложен алгоритм чжсленнот решшия полученной системы уравнений. Получены зависимости величины и направления контактной силы и координаты точки ее приложения в функции параметра кинематического режима работы мотовила. На основе результатов расчета проведена оценка-возможности- вымолота зерна щ колос« граблиной мотовила,

В четвертой главе проведен анализ реализуемых форм деформирования цескодькйх С'шбйви. ирй контакте с 1рабшшой моювшш. Рассмотрены два,.предельных ещучазг деформирования вдда стеблей: с учетом контактных сил между растениями (1-я модель) и без учета сил взаимодействия (2-я модель). Для случая равномерного распределения стеблш: о о поверхности поля получена сводная система уравнений для первой и второй моделей деформирования хлебной массы, а также приведены алгоритмы и методики, их ч&слешдош решения. Для второй модели деформирования хлебной массы сформулжроважи условия совместности Перемещений стеблей в деформируемой группе. Приведены расчетные зависимости контактной силы между группой стеблей и грабли-ной в функции кинематического режима работы жатки и времени контакта; изменение величины контактных, сил между стеблями (для второй модели деформирования); эшоры внутренних силовых факторов; вид деформированнот

та, получшньж.вд двум моделям деформирования. Приведены ашроксимаци-

ТТт

новнбк технологических параметров работы, мошияа жатки с полученными расчетными данными. Сделаны выводы об адекватности порченных .расчет* ных данных реальным технологическим процессам жаток зерноуборочных машин. Определены опасные, с техйологщесдай точки зрения, режимы работы мотовила^ Даш решмендаджи та решшам жешушщш жатки.,.

Пятая глава- шюшшкена разработке методики прогнозирования полегаемости колосовых еельекохшяйственных растений под действием неблагоприятных условий внешней среды (ветер, дождь). Методика разработана на базе ра-

и

нее рассмотренного решения о напряженно-деформированном состоянии стебля злаковой культуры под действием известной внешней нагрузки. Получены номограммы для определения: составляющих максимальных: прогибов растений, в защсимое-т от .вфлмчиньг равномерно раеррщшернож яо дщине стебля нагрузки, а также жесткости его поперечного сечения* Приведен пример расчета но изложенной методике. В данной главе также приведены результата! эксперимента онредедшиs .фш$шко-мтшшчтш% свойств стебля злаковых колосовых куйьтур акуйш^ескйм ейособом. Изложена методика проведения эксперимента, позволяющая: определять физико^механические свойства стебля в функции влажности стебля. Также, разработаны., две вспомогательные методики по расчету шгошада поперечного .сеченш стебля злаковой куздатурм, определению плотности материала, стебля.»

В шестой главе проводится экспериментальная проверка адекватности предложенной математической модели расчета, напряженно-деформированого состояния сте&щ при ^ейстшк известной: «чей. нагрузки, а также при. контактном взаимодействии стебля с абсолютно жестким телом, Сделан. вывод о верности принятых рабочих гипотез.

Вторая, часть настоящей работы, посвящена экспериментальному исследованию деформирования и разрушения стебля злаковой колосовой культуры резанием, а также расчету необходимой энергии на привод зерноуборочной жатш.

В седьмой главе приводятся результаты экспериментального исследования рщрущщда срезом стеблей злаковой колосовой культуры гладкими сег* ментами и. сегментами с насечкой при квазиетатичшком нагружшии.» Разработана экспериментальная установка штоляюищя измерять величину смдм нии, а также фотографировать форму деформированного состояния поперечного сечения стебля. Подучена экспериментальная зависимость изменения: силы резания в завЕсжмосш от перемещения, ножа. На основе подученной экшери-менталыюй зависимости выделены основные фазы деформирования и разру-

шенвд стеблей злаковой колосовой культуры при резании. Для характерных переходных то^ек диаграммы резажия, получены фотографии -формы деформированного состояния поперечного еечшиж стеблей. Сделан, анализ формы деформированного едшженж поперечного .сечшш. стеблей различной абсолютной влажности. Также нроведев сравнитежшщй эксперимент резани.» стеблей .злаковой культуры при высокочастотном колебании, противорежущсй. пластины. Результаты, жсперимемта, позволяют говорить о ярашжчеоки. важном, эффекте уменьшении: абссшотагат величины: силы- резания: Получено знаиежие коэффициента динамичности, связывающего величину силы резания при статическом и динамическом нагружениях. В ^г тчении данной' гдавы, проведена, качественная оцеща верности полученных диаграмм резаизшг ш основе, имеющихся в литературе сведший (осциллограмм изменения жанршешш в деталях режущего аппарата жатки).

В восьмой главе данной работы, на основе математической м�