автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Пневматическое приспособление к жатке для снижения потерь сои при уборке урожая

РГб ОД

На правах рукописи ПАРУБЕНКО АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ К ЖАТКЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ СОИ ПРИ УБОРКЕ

Специальность: 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БЛАГОВЕЩЕНСК 1997

Работа выполнена в Дальневосточном государственном аграрном университете

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор, член-корреспондент ААО И.В. Бумбар

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, член-корреспондент РАСХН Ю.В. Терентьев

кандидат технических наук,старший научный сотрудник A.B. Кузнецов

Ведущее предприятие - ГСКБ по машинам для зоны

Дальнего Востока (г. Биробиджан)

Защита диссертации состоится «/¿?» 1997 г.

на выездном заседании диссертационного совета Д 020.03.01 при Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (СибИМЭ) по адресу: 675005, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86.

Отзыв на автореферат диссертации, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 675005, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, ДальГАУ, отдел аспирантуры.

Автореферат диссертации разослан «тУ » и-сслЛ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Е. Немцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Соя является важнейшей культурой в мировом земледелии и играет важную роль в решении проблемы дефицита белка в питании людей и животных. Одной из важнейших проблем при производстве сои считается уборка, во время которой происходят значительные потери урожая - 10... 15 %, из них 80 % составляют потери за жаткой. Объясняется такое положение агробиологическими особенностями растений сои: равномерное расположение бобов по стеблю, низкая влажность растений в период уборки, легкая обмолачиваемость бобов и ряд других, которые ставят сою в ряд трудноубираемых культур.

По виду потери зерна сои за жаткой подразделяются на: потери очесанными бобами; потери свободным зерном; потери бобами на стерне. Первые два вида потерь составляют, так называемые, потери осыпанием - результат механического воздействия рабочих органов жатки на; растения. В настоящее время наиболее успешно решается проблема низкого среза. Применение жатки с плавающим режущим аппаратом и механизмом стабилизации высоты среза позволяют снизить величину этого вида потерь в 2...2.5 раза. Вместе с тем, вопрос о снижении потерь осыпанием разработан недостаточно полно. Его решение сводилось, в основном, к улучшению конструкции рабочих органов жатки (модернизация) и к установлению оптимальных технологических режимов их работы. Величина Потерь осыпанием остается довольно высокой и составляет 50...70 % от всех потерь за жаткой, при этом, необходимо отметить, зерно и бобы осыпаются, как в зоне режущего аппарата, так и впереди него на значительном расстоянии (14...27 см), т.к. мотовило очесывает бобы со стебля с момента входа планки в стеблестой. В связи с этим обоснование и исследование способов снижения потерь урожая сои при уборке является актуальной задачей.

Цель исследования —снизить потери урожая сои при уборке за счет создания в зоне осыпания направленного воздушного потока.

Научная гипотеза заключается в том, что направленный воздушный поток создаст в зоне режущего аппарата предохранительную завесу, припят-ствующую осыпанию зерна на почву, что позволит снизить величину потерь урожая сои.

Объект исследования - процесс перемещения осыпающихся бобов и зерна сои воздушным потоком.

Научная новизна. Получено аналитическое выражение для расчета зоны осыпания сои. Предложен и исследован обобщенный коэффициент сопротивления движения зерна сои. Выявлены закономерности процесса перемещения зерна сои открытым воздушным потоком. На основе математической теории планирования эксперимента обоснованы конструктивные параметры пневматического пальца приспособления.

Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу создания пневматического приспособления к жатке, которое позволяет снизить величину потерь урожая сои в 1.5...1.7 раза.

Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими организациями, занимающимися разработкой перспективных рабочих органов уборочных машин.

Внедрение. Разработанное пневматическое приспособление проходило производственную проверку в учебно-опытном хозяйстве Благовещенского СХИ. Результаты научно-производственной проверки доказывают практическую значимость и экономическую эффективность применения пневматического приспособления к жатке зерноуборочного комбайна на уборке сои.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и соискателей Благовещенского СХИ (1982...1996г.), на

тематических научных конференциях "Агрокомплекс Сибири и Дальнего Востока (г-Благовещенск, 1983... 1984 г.г.), на техническом совещании отдела жатвенной части зерновых комбайнов ГСКБ (г-Таганрог, 1983). На расширенном заседании кафедры сельскохозяйственных машин ДальГАУ в 1997 г.

Публикация. По материалам исследований опубликовано 6 печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (107 наименований) и приложений. Работа изложена на 104стр. машинописного текста, включающего 17 таблиц, 26 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы, определена цель и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу существующих способов и технических средств уборки сои, рассмотрены основные причины и источники возникновения потерь урожая сои за жатками, дан анализ пневматических приспособлений, применяемых на уборочных машинах. На основании произведенного анализа обоснована возможность применения воздушного потока в целях снижения уборочных потерь за жаткой, сформулированы цель и задачи исследования.

Исследованию процесса уборки сои, вопросам совершенствования рабочих органов жатки с целью снижения уборочных потерь посвящены работы А.Т.Волкова, Ю.В.Терентьева, А.В.Шанцева, В.П.Мухина, В.Н.Плахотникова, В.В.Мирошниченко, Б.Х.Федченко, И.В.Бумбара, М.Р.Цехместера и многих других ученых.

Многолетние исследования процесса уборки сои комбайнами в нашей стране и за рубежом позволили классифицировать потери урожая сои по ви-

дам, предложены различные методы определения их величины, изучены причины и источники возникновения потерь, влияние регулировок комбайна и состояние растений на величину потерь, разработаны практические рекомендации по эксплуатации комбайнов на уборке сои.

Анализ работ позволяет выделить следующие источники потерь за жаткой (рис. 1).

Рис. 1 Источники потерь сои за жаткой: 1 - очесывание бобов мотовилом; 2 - перерезание бобов режущим аппаратом; 3 - высокий срез растений; 4 - обмолот пальчиковым механизмом; 5 - обмолот в зоне шнека.

По данным ВНИИсои потери осыпанием достигают 80 % от общих потерь за жаткой. Так, в исследованиях В.П.Мухина и Ю.В.Терентьева отмечается, что основную часть потерь составляют очесанные бобы - 55-60%, на долю потерь свободным зерном приходится 15 % и 25... 30 % бобов остается на стерне.

Поиски путей снижения уборочных потерь ведутся, в основном, в направлении решения проблемы низкого среза. Вместе с тем, вопрос о снижении потерь осыпанием разработан недостаточно полно.

Одним из направлений снижения потерь осыпанием при уборке сои, может быть создание в зоне режущего аппарата направленного воздушного

потока, способного транспортировать осыпающиеся зерна и бобы сои назад к шнеку жатки.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:

1. Обосновать технологическую схему приспособления для снижения потерь осыпанием при уборке сои.

2. Исследовать основные закономерности процесса перемещения осыпающегося зерна сои воздушным потоком.

3. Обосновать конструктивные параметры пневматического приспособления к жатке зернового комбайна.

4. Провести испытание макетного образца предлагаемого приспособления и оценить эффективность его применения на уборке сои.

Во второй главе обоснована технологическая схема пневматического приспособления, изложены теоретические исследования зоны осыпания сои и исследования процесса перемещения частица в полуограниченной и открытой воздушной струе.

Зерно, обмолоченное рабочими органами жатки и бобы, очесанные мотовилом, осыпаются на почву на некотором расстоянии (рис.2) впереди от режущего аппарата (зона осыпания).

Бобы осыпаются в пределах всей зоны осыпания, а зерно - в зоне режущего аппарата в результате перерезания бобов ножом, выкатывается с платформы жатки от воздействия шнека и осыпается, отражаясь о поверхность жатки.

Воздушный поток, образованный слиянием отдельных струй равномерно расположенных по ширине захвата жатки пневматических пальцев !, улавливает и перемещает бобы и зерно назад к шнеку жатки, тем самым предотвращая потери. -

Рис. 2.Технологическая схема пневматического приспособления:

1 - пневматический палец; 2 - воздуховод; 3 - распределитель; 4 - платформа жатки; 5 - шнек; 6 - вентилятор;

--------------- зерно;---бобы

В момент входа планки в стеблестой и в процессе перемещения ее вниз по стеблю, происходит очесывание бобов. Согласно рис.3 зона осыпания определяется:

С> = Х-5Ж, (1)

где X - положение боба в момент отрыва;

Б* - перемещение жатки за время падения боба с высоты У.

Время падения определим из дифференциального уравнения падения чаотнщ,! в спокойной воздушной среде:

1 п с ,,2 )п = гсщ---С • р • г • V ,

с!г 2

где С - коэффициент аэродинамического сопротивления; р - плотность воздуха, кг/м3; Я - Миделево сечение частицы, м2; £ - ускорение свободного падения, м/с2; V - относительная скорость частицы, м/с.

(2)

Рис. 3. Схема к определению зоны осыпания Обозначив, К = Р ^ и отыскивая решение уравнения в виде

ш

1=ф(У) получим:

-лА-е-'

КУ

(3)

Выражая координаты боба в момент отрыва, через конструктивные параметры мотовила, окончательно получим:

О = -^я2 - (н - У)2

•1п

(4)

Расчеты показывают, что при скорости движения жатки 1 м/с зона осыпания составляет 0,270 м, при скорости 1,5 м/с - 0,123, для стебля высотой 0,7м.

При копировании жаткой неровностей поля, а также в результате воздействия рабочих органов, зерно приобретает движение по поверхности жатки с определенной скоростью, в том числе и по направлению к режущему аппарату, т.е. стремиться выкатиться за пределы платформы жатки.

Рассмотрим случай, когда частица движется по наклонной плоскости навстречу полуограниченной воздушной струе, Пусть частица входит в струю с начальной скоростью У0 на расстоянии А от воздуховыпускного отверстия (рис. 4).

Рис. 4. Схема сил, действующих на частицу в полуограниченной воздушной струе

Дифференциальное уравнение движения частицы запишется следующим образом:

с! х

ш= И + • соэа - вша). ск

(5)

или вводя значение силы аэродинамического давления воздуха и преобразуя: с1,х

ск'

■ = К,,(и + V)2 'соза- Б'ша),

(6)

где К1: - коэффициент парусности;

и - скорость воздуха в точке нахождения частицы, м/с;

V - скорость частицы, м/с.

Из выражения (6) можно определить минимальную скорость воздуха и„,;„ которую необходимо создать в точке нахождения частицы, для удержания ее на плоскости, т.е. когда скорость и ускорение частицы будут равны нулю:

§(з1па- f -СОБИ)

К.

В рассматриваемой задаче речь идет о скорости воздушной струи, которая создает динамический напор на частицу, вблизи поверхности. В случае полуограниченной струи, с некоторым допущением, мы можем принять, что на тело, находящееся на поверхности, действует аэродинамическая сила, вызванная осевой скоростью струи. Тогда воспользуемся законом изменения осевой скорости струи (по Абрамовичу Г.Н.) Для начального участка струи:

W = W0, (8)

где V/ - осевая скорость струи;

Wu - осевая скорость на выходе из сопла.

Для основного участка струи:

W = (9)

VX

где U0 - средняя скорость на выходе из сопла, м/с;

m - коэффициент затухания осевой скорости струи;

Ьо - полуширина сопла, м;

X - осевое расстояние, м.

Таким образом, учитывая принятое допущение, а также ( 7 ) и ( 9 ) можем записать:

3,8 • U0 • m • о ¡g(sina - f-cosa) .

л/х V Кп

Уравнение (10) позволяет определить скорость воздуха, которую необходимо создать на выходе из сопла (ио), чтобы удержать частицу на наклонной плоскости в пределах основного участка:

U0 =__•«»*>. (П)

0 3,8-m-V2b; V Кп

Для начального участка струи расчет скорости на выходе из сопла следует вести по формуле (7).

Таким образом, уравнения (7) и (И) позволяют обосновать параметры воздушного потока способного удержать частицу, находящуюся в статическом положении на наклонной плоскости. Для рассмотрения процесса в динамике необходимо решить дифференциальное уравнение (6). Для этого перепишем его в таком виде:

\2

+ £(Г-соза-$1па). (12)

си2 Ч ТлТх " +си

Решение данного уравнения проводилось на ЭВМ численным методом Рунге-Кутга. Расчеты показали, что при выносе пневматического пальца 200мм, для надежного удержания зерна в пределах платформы жатки, необходима скорость воздушного потока на выходе из сопла 15...20 м/с (при начальной скорости частицы 1 м/с).

Рассмотрим движение материальной частицы массой т в свободной воздушной струе, расположенной горизонтально. Предположим, частица входит в струю на расстоянии А от сопла с начальной скоростью ио. На частицу будет действовать аэродинамическая сила Я, создаваемая воздушной струей и сила тяжести 0=т§. Отнесем движение частицы к системе координат ХОУ, начало которой поместим в точке входа частицы в поток (Рис. 5).

Составим дифференциальные уравнения движения частицы в воздушной струе в проекциях на оси координат:

с12х о

? (13)

с1г

Рис. 5. Схема сил, действующих на частицу в открытой воздушной струе

Аэродинамическая сила является функцией относительного движения частиц, т.е.:

Я = ^С-р-Р(и-У)2, (И)

где и - скорость воздуха в данной точке струи, м/с; V - скорость частицы, м/с.

Согласно теории Г.Н.Абрамовича профиль скоростей в любом поперечном сечении основного участка струи выражается зависимостью:

где V/ - скорость воздуха на оси струи (осевая скорость), м/с; а - расстояние рассматриваемой точки от оси струи, м; В - полуширина струи в данном сечении, м.

В уравнении (15) следует иметь в виду, что расстояние а, в принятой системе координат, определяется (рис.5):

для участка I - а = В0 - у;

для участка II - а = у - В0, где В0 - полуширина струи в точке входа частицы в струю; у - текущей значение ординаты частицы.

Для случая, когда воле скоростей на выходе из сопла равномерно осевая скорость на основном участке струи выражается закономерностью:

ЗЯ-ио-т-фЛ^

л/А+1

(16)

где ио - осевая скорость на выходе из сопла, м/с; Ь0 - полуширина сопла, м;

(А + х) - расстояние от сопла до рассматриваемой точки, м; т - коэффициент затухания осевой скорости струи.

Полуширина струи определится выражением: В = 0,22(А + X - Х0),

(17)

где Х0 - полюсное расстояние струи.

Таким образом, пользуясь зависимостями (14), (15), (16), (17), и делая соответствующие преобразования, получим следующее дифференциальное уравнение движения частицы в свободной воздушной струе:

с12х Л7

л/А + х

0,22(А-Х0)-(^- + У01

0,22(А +-Х- Х0)

йх ск

Кг

(18)

Решая данное уравнение получим возможность оценивать влияние входящих в него факторов на перемещение частицы в свободной воздушной струе.

В третьей главе изложена программа и методика экспериментальных исследований. Программой экспериментальных исследований предусматривалось: изучение физико-механических свойств зерна и бобов сои; установ-

ление основных закономерностей перемещения зерна и сои воздушным потоком; обоснование конструктивных параметров пневматического приспособления; проведение производственных испытаний пневматического приспособления.

Для изучения физико-механических свойств разработаны частные методики. Коэффициент парусности определяли на парусном классификаторе ППК-ВИМ по известной методике.

Исследование основных закономерностей перемещения зерна и бобов проводились методом стробоскопической фотосъемки.

Достоверность аналитического описания процесса перемещения проверялась методом сопоставления данных, полученных расчетным и экспериментальным путями. Обоснование конструктивных параметров приспособления проводилось на экспериментальной установке методом многофакторного эксперимента.

Производственная проверка опытного образца приспособления производилась в сравнении с серийной жаткой. Результаты экспериментальных данных обрабатывались методами математической статистики с использованием ЭВМ.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и дан их анализ.

Среднее значение размеров бобов сои Смена и ВНИИС-2 варьирует в следующих пределах: длина - 24,26...45,78 мм; ширина - 8,09... 10,31 мм; толщина - 5.21...8.02. Широкие пределы изменения размеров бобов сои являются причиной того, что часть бобов попадает в раствор режущей части и перерезается, осыпаясь на землю. Зерно сои имеет нешаровую форму, которая оценивается коэффициентом сферичности от кСф = 0,70 до кСф= 0,98. Движение такого зерна по плоскости (платформа жатки) происходит скачкообразно с отрывом от плоскости.

Исследование обобщенного коэффициента сопротивления движению . показало, что его величина зависит от материала поверхности, но в большей мере - от коэффициента сферичности. Так, для сои со сферичностью ксф =0,70, коэффициент сопротивления по стали составляет величину ^ = 0,13, для сферичности ксф = 0,95 - Гс= 0,07.

Зависимость коэффициентов сопротивления от сферичности апрокси-мируется линейной функцией.

Скорости витания для одно, двух и трехзерновых бобов различаются незначительно и составляют соответственно 6,6; 7,3; 7,4 м/с, а у зерна величина скорости существенно выше - 13,8 м/с.

Исследование процесса перемещения зерна по плоскости навстречу воздушному потоку показывает, (рис. 6), что момент остановки зерна и начало обратного движения зависит от скорости воздушного потока, начальной скорости зерна и места, с которого зерно начинает движение (расстояние зерна до воздуховынускного отверстия).

X, м

0,200

0,150

0,100

0,050

5 10 15 20 Цо, м/с

Рис. 6. Зависимость дальности перемещения от скорости воздушного потока:

------------- _ теоретическая,

___ -экспериментальная.

Анализ полученных зависимостей позволяет предположить, что для надежного удержания зерна в пределах платформы жатки необходима скорость воздушного потока U0.= 20 м/с при выносе пневматического пальца L = 0,200 м. Для выбранных условий зерно переместится навстречу воздушному потоку на расстояние 80 мм, остановится и начнет движение в обратную сторону.

Отсеивающими экспериментами по методу насыщенного плана Пла-кетта- Бермана выявлены факторы значимо влияющие на равномерность перемещения зерна в воздушном потоке: место выхода в поток, высота установки дефлектора, диаметр дефлектора, шаг пальцев.

При планировании эксперимента установлены уровни варьирования факторов: место входа Xt - 150, 100, 50 мм; высота дефлектора Х2 - 35, 25, 15 мм; диаметр дефлектора Хз - 60, 50,40 мм; шаг пальцев Х4 - 381,305,229 мм.

За критерий оптимизации принята равномерность перемещения зерна воздушным потоком, которая оценивалась среднеквадратическим отклонением.

В результате проведения эксперимента по методу полного факторного эксперимента было получено следующее уравнение регрессии (после отбрасывания незначимых коэффициентов):

У = 48,7 + 2.9Х) -6.4Х2 + б.7Х,+ 2.!Х|2

Результаты позволили обосновать конструктивные параметры пневматического пальца обеспечивающие равномерность процесса перемещения зерна но ширине захвата жатки.

Нолевые исследования показали, что общие потери зерна сои за экспериментальной жаткой ниже в среднем в 1,5...1,7 раза по сравнению с серийной (рис. 7).

В пятой главе приведены расчеты экономической эффективности применения пневматического приспособления на уборке сои. Экономический

эффект от применения приспособления составляет 7034 рубля в год на один комбайн (в ценах 1990 г.).

7. Зависимость общих потерь сои от скорости движения комбайна: 1 - серийного; 2 - экспериментального

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ конструкций уборочных машин, а также изучение состояния исследований в этой области позволили выявить отличительные особенности растений сои как объекта уборки ставящие сою в ряд трудноубираемых культур. Анализ источников потерь сои за жаткой показал, что наиболее целесообразным путем повышения эффективности работы жатки является применение направленного воздушного потока в зоне осыпания.

В результате выполненных исследований предложена технологическая схема и разработано пневматическое приспособление к жатке для снижения уборочных потерь.

2. Выявлены закономерности движения зерна сои в воздушном потоке. Для перемещения осыпающегося зерна и удержания его на платформе жатки необходима скорость воздушного потока на выходе из сопла пневматических пальцев 20 м/с, вынос пальцев - 200 мм впереди режущего аппарата.

3. На основании экспериментальных исследований установлены следующие конструктивные параметры пневматического пальца: диаметр дефлектора 50 мм, высота установки дефлектора 35 мм, угол наклона дефлектора 10°, диаметр выходного отверстия 30 мм, шаг пневматических пальцев 305 мм.

4. Производственные испытания макетного образца пневматического приспособления показали, что его примеиение снижает потери за жаткой в 1,5. ..1,7 раза.

5. Годовой экономический эффект от применения пневматического приспособления за счет сокращения потерь составляет 7034 рубля на один комбайн.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Аэродинамические свойства бобов сои // Пути повышения урожайности сои на Дальнем Востоке. - Благовещенск, 1982. - с. 105... 107. (соавтор Бумбар И.В.)

2. Исследования процесса осыпания сои под воздействием мотовила И Механизация возделывания сои на Дальнем Востоке. - Благовещенск, 1983. - с. 34...39. (соавтор Бумбар И.В.)

3. Исследование профиля поверхности соевого поля // Пути увеличения производства зерновых культур и сои в Амурской области. - Благовещенск, 1987. - с. 52..,55. (соавтор Цехместер М.Р.)

4. К обоснованию воздушной завесы в жатке зерноуборочного комбайна на уборке сои // Механизация возделывания и уборки зерновых и сои на Дальнем Востоке. - Благовещенск, 1990. - с. 50...54 (соавтор Бумбар И.В.)

5. Пневматическое приспособление к жатке для снижения потерь при уборке сои // Тез. докл. - Благовещенск, 1990. - с. 22

6. Определение коэффициента сопротивления движения зерна сои по плоскости. И Механизация и электрификация технологических процессов сельскохозяйственного производства / Сбор, науч. тр. вьгп. 2, Благовещенск, 1996. (соавтор Трофимов С.К.)