автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих технологий и средств механизации уборки зерновых культур на основе использования инерционно-очёсных молотильных аппаратов

На правахрукописи

СКВОРЦОВ АЛЕКСАНДР КОНСТАНТИНОВИЧ

УДК631.361.2: 631.1

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

И СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНЕРЦИОННО-ОЧЁСНЫХ МОЛОТИЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Волгоград 2005

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный консультант доктор сельскохозяйственных наук, профессор ЦЕПЛЯЕВ А.Н.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский проект-но-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИПТИМЭСХ)

Зашита состоится 4 апреля 2005 года в 10 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002,

г. Волгоград, ул. Институтская, 8, ауд. 214. факс; 8-(8442)-43-08-45

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан 2005 года.

доктор технических наук, профессор РЫБАЛКО А.Г.;

доктор технических наук,

профессор

ПЫНДАК В.И.;

доктор технических наук, профессор ШАБАНОВ Н.И.

Учёный секретарь диссертационного с доктор с.-х. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Уборка урожая метёлочных культур - риса и сорго вследствие продолжительности биологического периода развития происходит осенью с её неблагоприятными для уборки погодными условиями. Высокая влажность 30...25 % зерна и листостебельной массы - 70...60 %, а также неравномерность созревания зёрен в метёлке не способствуют высокой производительности уборочных машин и качеству продукции. Молотильно-сепарирующие устройства зерноуборочных комбайнов мало приспособлены для уборки растений с высоким влагосодержанием. Поэтому создание технологий для уборки всего наземного биологического урожая метёлочных культур в разные ёмкости одним проходом комбайна является актуальной задачей. В процессе обмолота на ненужное перебивание соломы тратится более 70 % энергии, а всего на молотилку в комбайне расходуется 80 % мощности двигателя. Снижение удельных энергозатрат на обмолот и сепарацию зерна - актуальная проблема, как и получение высококачественных семян.

Цель работы - Разработка ресурсосберегающих технологий и средств механизации уборки зерновых культур на примере сорго и риса с использованием инерционно-очёсных молотильных аппаратов.

Объектами исследования являются технологические процессы и технические средства уборки всего наземного биологического урожая метёлочных культур и растений с иными соцветиями.

Предмет исследования - параметры рабочих органов и режимы работы процесса инерционно-очёсного обмолота, его взаимосвязи в технологических схемах зерноуборочных комбайнов.

Методы исследований - системно-структурный анализ технологий и средств механизации уборки зерновых культур, физическое моделирование, математическое моделирование, математическая теория эксперимента, натурный эксперимент.

Научная новизна состоит в разработке:

- инерционно-очёсного способа обмолота в широком диапазоне влажности метёлочных культур и культур с иными соцветиями;

- закономерностей сохранности зерна, стеблей, листьев и соцветий в процессе обмолота;

- модификаций инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств;

- технологических схем зерноуборочных комбайнов;

- в обосновании характеристик инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств.

Новизна технологических и технических решений защищена шестью патентами РФ.

Практическую значимость составляют:

- конструкторские разработки (на основе созданной теории) пяти модификаций инерционно-очёсных МСУ;

- технология уборки всего наземного биологического урожая риса, сахарного сорго, зернового сорго, пшеницы в широком диапазоне влажности;

- технология изготовления веников с использованием инерционно-оче'сного МСУ.

Реализация результатов исследований. Технологии уборки всего наземного биологического урожая сахарного сорго агрегатом, состоящим из комбайна «Нива», приспособления для уборки початков кукурузы ППК-4, блока выносных молотильных камер, а также автомобиля-самосвала и трактора МТЗ-80 с тележкой 2ПТС-4М прошла производственную проверку в 1990 году на полях НПО «Саратовсорго».

Селекционная молотилка для сорго передана в 1991 году Волгоградскому филиалу Всероссийского научно-исследовательского института сорго и других зерновых культур (ВНИИ СЗК).

Производственный обмолот 5000 кг метёлок сорго-суданкового гибрида осуществлён в лаборатории программирования урожая ВГСХА в 1992... 1993гг.

В производстве веников использовались стационарные молотилки в ГУП ОПХ «Волгоградское» с декабря 1993 года по апрель 1997, с октября 2001 по февраль 2002 года и в Волгоградском областном «Агропромэнерго» с октября 1995 по май 1996 года.

Технология уборки веничного сорго макетным образцом комбайна, состоящим из трактора Т-16МГ, прямоточной выносной молотильной камеры (ПВМК), жатки, транспортёра метёлок и тракторной тележки 2ПТС-4М, внедрена в ОАО «Червлёное» в 2002 году.

Научно-методические разработки используются в учебном процессе ВГСХА (курсовое, дипломное проектирование, аспирантура) по специальностям «Механизация сельского хозяйства» и «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались с 1990 по 2004 год на ежегодных научно-практических конференциях ВГСХА, международных научно-практических конференциях, заседаниях ученых советов Всероссийского научно-исследовательского института орошаемого земледелия (ВНИИОЗ), Всероссийского научно-исследовательского агролесомелиоративного института (ВНИАЛМИ), на техническом совете ГСКБ Волгоградского экспериментального завода оросительной техники (ВЭЗОТ), на техническом совете Волгоградского филиала Всероссийского научно-исследовательского проектно-технологического института механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИИПТИМЭСХ). Было доложено на научно-производственном совещании ВНИИ СЗК, на научно-производственном совещании НПО «Саратовсорго», техническом совете Волгоградского областного отдела механизации сельского хозяйства, Волгоградской областной «Сельхозтехники», конференциях ассоциации «Большая Волга».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 377 страницах, является рукописным изданием, иллюстрирована 128 рисунками, 46 таблицами. Список использованной литературы включает 357 наименований, в том числе 20 на иностранных языках

Публикации. Основное содержание, результаты, рекомендации, перспективы дальнейших исследований отражены в 6 патентах, и 30 статьях, среди ко-

торых 8 статей в издательствах, рекомендуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, показано её место в целевой программе «Техника для продовольствия России на 2000 - 2006 годы» и связь темы диссертации с планами НИР академии; обосновываются исходная платформа и стратегия исследования.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» дан обзор существующих технологий уборки сорго.

Многолетними исследованиями и передовой практикой выделено несколько направлений уборки зернового сорго:

1) получение сухого фуражного зерна путем предуборочного подсушивания на корню с помощью десикации;

2) консервирование влажного зерна путем его герметизации;

3) получение зернофуража (монокорма) из всего биологического урожая (листостебельная масса и зерно);

4) уборка влажного фуражного зерна с последующей сушкой на различных сушильных установках;

5) уборка сорго на семенные цели с последующей сушкой.

Состав машин по каждой технологии известен, разработанные совершенствования технологии - тоже, поэтому они в автореферате не рассматриваются.

Использование первой технологии приводит к потере листостебельной массы: листья и стебли пересыхают, становятся грубыми и не пригодными к скармливанию.

Вторая технология не даёт семян.

Третья технология даёт питательный корм, но оставляет земледельца без семян.

Четвёртая технология осуществляется в две фазы, как правило, двумя агрегатами, и часть листостебельной массы затаптывается колёсами.

Пятая технология, так же, как и первая, не предусматривает утилизацию листостебельной части растений.

Имеются технологические приёмы сбора всего биологического урожая сорго одним агрегатом, и данная работа направлена на совершенствование этих технологий.

Сорго является надежной кормовой базой. Получение высококачественных зелёного корма, сена и сенажа способствует высокой продуктивности животных, однако для этого нужно большое количество высококачественных семян. Обзор технологий уборки сорго с целью найти способ обеспечения хозяйств семенами приводит к следующим выводам:

1 - спелые семена находятся на зелёном растении, и убрать их одним агрегатом, не теряя урожая зелёной массы, практически невозможно;

2 - необходимо разработать молотильно-сепарирующее устройство (МСУ), способное обмолачивать на семена зелёные растения;

Рис 1 Классификация МСУ

3 - комбайн с таким МСУ, имеющий в своем составе жатку и измельчитель, позволит убирать одновременно весь биологический урожай сорго в разные ёмкости: семена - в бункер и сочную зелёную массу - в тележку.

Составленная нами классификация МСУ (рис. 1) позволила провести анализ существующих МСУ и выбрать элементы, отвечающие сформулированным во введении условиям.

Нами выделено устройство (рис. 2), применяемое для отделения початков -информация из статьи доктора техн. наук Карпуши П. П. Оно характерно формой вальцов и в рабочем процессе обмолота раскачиванием центра массы початка Эти обстоятельства подходят для построения теории обмолота и конструкций рабочих органов молотильно-сепарирующих устройств.

Теоретические разработки В.П. Горячкина, М.А. Пустыгина, П.П. Карпуши взяты за основу теории данной диссертации и являются её неотъемлемыми составляющими. Профессор М. А. Пустыгин, развивая учение академика В.П. Горячкина, описал рабочий процесс обмолота его рациональной формулой для плугов. По его мнению, мощность расходуется на преодоление «вредных» сил сопротивления молотильного барабана, деформацию хлебной массы и придание ей скорости, то есть

Рис 2 Контуры трехгранных

вальцов с выпуклыми гранями и ПК Ы„ - мощность, расходуемая на холостом ходу скругленными вершинами (трение в подшипниках и вентиляторный эффект),

Лщ - мощность, расходуемая на перетирание, Л'чд - мощность, расходуемая на удаление продуктов обмолота из молотильного зазора, то есть, собственно обмолот

По расчетам М. А. Пустыгин получил следующее распределение потребной мощности (табл. 1).

Таблица 1

Распределение потребной мощности, %

Показате /и Барабаны

бильный штифтовый

1 Вре а.че сопротивт 23 14

2 Перетирание (сопротив- 70 64

ление деки)

В том числе

Гренис от сжатия стеб тей 30 31

Трение от изгиба стеблей 15 -

Разрушение колосьев 18 10

Ра;рыв стеблей 7 И

Прочесывание - 12

3 Удар и сообщение скоро- 7 22

сти

Составляющие рациональной формулы В. П. Горячкина показывают, на что расходуется энергия в молотильном устройстве. На разрушение колосьев в бильном молотильном аппарате расходуется 18 % энергии, на транспортировку

продуктов обмолота - 7 %, а всего на полезную работу - 25% (если считать разрушение колосьев обмолотом). Значительная часть - 75 % энергии расходуется, по мнению М. А. Пустыгина, на сопутствующие операции, а по нашему мнению, на нежелательные, тормозящие процесс обмолота и снижающие коэффициент полезного действия молотильных устройств.

Рабочая гипотеза, принятая нами, содержит следующие элементы: 1. «Обмолот - есть отделение плода-зерновки от материнского растения» -сформулировано А.Н. Гудковым в отношении соцветия метёлки. Деформация иных частей растения, кроме плодоножки, недопустима.

2. Обмолот должен осуществляться в просторном молотильном зазоре, то есть рабочие органы молотильного аппарата не должны сжимать соцветие и другие части растения. Это сохранит растение в целости, предотвратит нерациональный расход энергии на деформацию частей растения, позволит нейтрализовать причину выделения клейкого сока.

3. Стебли растений (к листьям это менее относится) не должны испытывать в поперечном направлении больших нагрузок, то есть безопорный поперечный удар не должен быть для стебля деформирующим.

4. Соответствие рабочих поверхностей МСУ критическим радиусам изгиба ветвей метёлки. Радиус кривизны поверхности рабочего органа - лопасти битера - должен быть больше критических радиусов изгиба ветвей метёлки.

Соблюдение этих элементов рабочей гипотезы позволит использовать энергию двигателя по конкретному назначению - деформация плодоножки и ничего более.

Согласно данным публикаций, в зависимости от подачи хлебной массы вся молотилка забирает от 78 до 86 % мощности двигателя, в среднем, 80 %.

Если удастся, освободившись от ненужных и вредных воздействий на хлебную массу, сократить удельные затраты энергии на обмолот, сепарацию и очистку зерна, то это существенно снизит, при той же производительности комбайна, потребную мощность двигателя и массу комбайна.

С этих позиций данная работа актуальна.

Доктор технических наук П.П. Карпуша рассматривает явление «захлёстывание» (рис. 3). Цитирую: «очёсывающая сила возникает в основном за счет изменения скорости зерновки в относительном движении при захлёстывании их на пальце. Для отделения действующей на зерновку силы можно использовать закон сохранения количества движения.

Если считать, что момент количества движения массы зерновок относительно пальца равен нулю (при малой жесткости веточек или плодоножек), то, по рис. 3, развиваемая при этом сила инерции, разрывающая веточку, равна

щей - масса зерновки, /о - начальная длина захлёстываемой части метёлки (веточки); и -начальная скорость движения зерновки; I = VI - длина протянутой части веточки

При малой разности может

быть достаточно большой, чтобы вызвать обрыв веточек с зерновками. Так при /о=0,05 м, и=10 м/с и «г=(3...3,3)10-5 кг,

что значительно превышает предел прочности веточек». Конец цитаты.

Автор рекомендует, на основании опыта, не превышать скорость очёсывающего органа более 10 м/с.

Захлёстывание нами было отмечено ранее, в кандидатской диссертации, поэтому теория доктора П.П. Карпуши органично вошла в наши теоретические разработки.

Во второй главе «Теория инерционно-очёсного обмолота метёлочных культур» рассматриваются способы деформации плодоножки. Плод-зерновка крепится в метелочных растениях к ветви высшего порядка плодоножкой. Эта плодоножка бывает длиной от 4 до 15 мм. Следуя ранее высказанному определению, что «обмолот - это отделение плода-зерновки от материнского растения», рассматриваются все возможные способы нарушения связи зерновки с растением, то есть плодоножки. На рисунке 4 представлена классификация способов разрушения плодоножки.

Во всех очёсывающих МСУ, в случае установки их в технологическую схему классического комбайна, приемные вальцы не только подают хлебную массу в МСУ, но и удерживают растения от транспортировки их обмолачивающими вальцами. Представляется необходимым закрепление растения (конца плодоножки) в зажиме; это 1) - естественное закрепление растения корнями в почве, 2) - закрепление в подающих вальцах или 3) в селекционном обмолоте - удержание рукой.

По позициям от а) до л) включительно изображены возможные способы разрушения или деформация плодоножки. По нашему убеждению, воздействовать мы можем лишь на зерновку. Черным кружком обозначена масса зерновки в знак того, что в этих случаях в разрушении (деформации) плодоножки принимает участие сила инерции.

После перебора и анализа всех способов воздействия на плодоножку выбрана позиция л): очёсывание, или очёс, причем очёс такой, при котором возможно исключение проникновения рабочих органов вглубь хлебной массы, как проникают зубья, штифты, пальцы, гребенки и т. д. При таком очёсе посредством МСУ инерционно-очёсного воздействия зёрна сами выходят из слоя хлебной массы и взаимодействуют с рабочими органами.

Нами принята модель растения в виде длинной упругой балки переменного сечения. Одним концом эта балка закреплена в подающих вальцах, к другому

ее концу прикреплена масса зернами (рис. 5), значительно превышающая массу балки.

Рис 3. Схема отделения продукта путём отрывания захлестывающихся веточек

Рис. 4. Классификация способов разрушения плодоножки: а) сжатие; б) изгиб крутящим моментом; в) скручивание; г) растяжение (дужка ведра); а) растяжение центробежной силой; е) растяжение на маятниковом копре; ж) изгиб на маятниковом копре; з) растяжение пластиной на плоскости; и) растяжение с изгибом; к) изгиб с растяжением (очес на решете); л) изгиб с растяжением (очес инерционным МСУ)

Масса любого физического тела - это мера инерции, её количественное выражение. Такое допущение можно сделать, так как объёмный вес зерна в 17 раз больше объёмного веса соломы. Гибкая балка, представляющая собой стебель, ножку метёлки, ветви и плодоножку, обладает жёсткостью

Переменное сечение балки - результат уменьшающейся толщины от места её закрепления до зерновки: ножка метелки, ветви 1-го, 2-го, 3-го, возможны ветви 4-го порядка, плодоножка. Ветви 3-го и 4-го порядков называются ветвями высшего порядка.

Рис.5. Физическая модель метелки: 1,2, 3 - ветви 1-го, 2-го и 3-го порядков, .И-масса зерновки

Лопасть вальца воздействует на физическую модель, перемещаясь по линии 1\—* ¡2—> /з—► и~* /5—» (рис. 6,а). При этом зерновка последовательно занимает позиции /И|, Ш2, ГП], т4, ть, вращаясь на уменьшающемся радиусе вокруг точки I (рис. 6,б).

Вальцы должны действовать на всю толщину слоя, не оставляя «мертвой зоны». Это будет осуществляться, когда амплитуда колебаний (рис. 7) вальцов будет не меньше величины зазора Максимальная величина зазора для кон-

кретного профиля вальцов равна разности радиусов описанной во-

круг профиля и вписанной в профиль окружностей.

Рис 6 Вращение зерновки на уменьшающемся радиусе 1 6 - траектория точки лопасти вальца, Г 6' - траектория зерновки

Принято допущение в теоретическом исследовании, что хлебная масса заполняет весь зазор, но вальцы ей не сжимают. С этой позиции описанные окружности профилей вальцов имеют общую касательную, и амплитуда колебаний слоя хлебной массы равна молотильному зазору С другой стороны, минимально возможная амплитуда при данном зазоре должна быть равна половине длины зерна /,. Если в зазоре находится один стебель, то амплитуда а его колебаний равна удвоенному зазору за минусом диаметра этого стебля:

Таким образом, амплитуда колебаний может принимать значения в пределах

Задача сохранения в процессе обмолота стеблей решалась графоаналитически - методом графического дифференцирования.

Параметры профилей лопастных битеров сведены в таблицу 2, а элементы битеров показаны на рис. 8. В диссертации приводятся несколько вариантов типоразмеров профилей битеров и соответствующая им кинематика стеблей: перемещение, скорость, ускорение.

Определялось перемещение стебля, его скорость и ускорение. Критерием выбора приемлемой величины ускорения являлась форма кривой ускорения в точках 0 и 9 смены вальцов. Плавное изменение ускорения свидетельствует о том, что величина его определённая и небольшая (рис. 9, № 7), излом кривой под углом говорит о том, что величина ускорения неопределенно большая (рис. 9, №2).

Рис 7 Устройство обмолачивающих вальцов 1 - опора 2 - собственно лопасть 3 - канавка 4 - обмолачивающая кромка 5 - выступ 6 - транспортирующая площадка

Таблица2

Параметры профилей вальцов

Параметры №№ профилей

1 2 2 а 2,6 3 4 1 5 6 7 8 | 9

Вылет лопасти мм 25 25 25 25 30 30 50 50 55 56 57

Диаметр вписан окр 90 90 90 90 85 100 100 100 110 112 I 115 1

Радиус крив юпасти • 100 75 75 75 105 80 90 172 145 165 132

Радиус крив выступа ■ 15 15 15 15 10 10 1 10 1 0 10 20 15

Амплитуда 30 29 29 29 32 30 22 25 20 19 175

Рабочий сектор лопасти дете-ний 2 3 5 35 3,5 3,5 3 5 7 9 9 9 9

Примечания Диаметр описанной окружности Д,п всех профилей одинаков - 150 мм Диаметр опоры Д,, гопасги равен вылету в, лопасти умноженному на 2 Мототильный ¡аюр д\ и амплитуда колебаний а,„, равны Зона воздействия (поворота) лопасти разбита на 9 секторов 2а - учтена упругость стебтя сгтажен угол между детениями 8 5 и 9 5 26 - \-чтена упруюсть стебля сглажен угол меж ту делениями 8 и 10

Рис 8 Элементы битеров второго этапа исследования а) контур лопасти, 6) лопасть с канавкой, в) лопасть со щелью, 1 - опора, 2 - лопасть, 3 - собственно лопасть, 4 - выступ лопасти, 5 - канавка, 6 - обмолачивающая кромка, 7 - щель, 8 - ограничительная площадка, 9 -центры кривизны лопастей

Изменение скорости стеблей (хлебной массы) на профилях №№ 6, 7, 8, 9 происходит плавно, ускорение имеет вполне определённую величину. Профили №№ 6, 7, 8, 9 рекомендуются для применения в будущих инерционно-очёсных МСУ.

Ниже описывается метод аналитического определения величины ускорения. Целесообразно воспользоваться теоремой Фурье, согласно которой всякая периодически изменяющаяся величина может рассматриваться как сумма постоянной (независимо от времени) величины и ряда синусоидальных величин, частота которых составляет арифметическую прогрессию.

Гармоническая составляющая, период которой ра-

вен периоду несинусоидальнои величины, называется основной гармоникои; остальные гармоники, у которых период в два, три и т. д. раза меньше, называются высшими гармониками: гармониками второго, третьего и т. д. порядка.

В общем случае всякая периодически изменяющаяся функция / (*) может быть разложена на постоянную слагаемую и ряд синусоид, то есть

(4)

Уравнение кривой, симметричной относительно оси абсцисс, имеет вид

_/(дг)=В] з1пис+£>з51пЗдс+.. .+С1с05л+С3сс«3лг+... (5)

Когда периодическая функция задается в виде графика, прибегают к приближенным методам вычисления коэффициентов ряда. Один из методов заключается в замене интегралов, определяющих коэффициенты Вк И С\ , соответствующими суммами. По этому методу период кривой делят на р равных частей, и коэффициенты вычисляют из выражений:

Вк = 2— \/(х)$ткх ей:«— У/(я—) 51п(кп— "I Р \ Р

Рис 9 Профили битеров № 7 и № 2, графики перемещения, скорости и ускорения стебля

После соответствующих преобразований получены значения коэффициентов. Формула = /(*) имеет теперь иной вид

.Дл:)=0,83251пл:-0,3885т3л--11,67со<аг+0,289со53л:. (8)

Ускорение стебля равно

Я*)=0,8325т(.х- тг)-0,388'3;4т(3л:+;гн 1 ,67соб(х ^л)+0,289-3а-соь(3л:-л), (9)

или освободившись от получим

/"(дс)=0,832со8х=3,4925тЗдг+1 1,67соа*-2,601со53лг. (10)

Экстремальные точки будутиметь место в том случае, когда производная отускоренияравна нулю:

/"(Л:)=-03325ПХ^10^36СО53Л:-1 I ^лх^ОЗэпЗл^О. (11)

Ряд корней равен

ху=24°20'+2кк и .Т;=24°20), (12)

где к (= 1,2 и т. д.) - целые числа.

Значения корней и есть абсциссы максимал ьных ускорений стеблей.

Очёсывание в изучаемых молотильных устройствах осуществляется без проникновения рабочих органов вглубь слоя хлебной массы. На рисунке 10,6 штриховой линией представлена метёлка в естественном состоянии, а штрих-пункгарной линией - распластанная по лопасти метёлка. Поддаа в молотильный зазор- вершиной вперёд.Нарисунке метётка развёрнута вплосмэсть. Это - допущение, на самом деле метёлка расстилается поочередно то на лопасти нижнего, то на лопасти верхнего битера Сначала воздействует лопасть нижнего битер а с центром 1 (Я0- радиус о писанной о кру жности в направлении па).

Затем лопасть верхнего битера из п«пра2 очссыпает верхнюю часть пласта метёлки отедо С]. Нижний- из центра5 в направлении_/Уь и верхний - из центра 6 в направлении от £ до в\. итак, нижний битер обрабатывает нижнюю половину пласта (штриховка с наклоном илеио), верхний верхнюю (штриховка наклонена вправо).

Если сравнить с фрезерованием, сначала конец ¡уба фрезы движется по дуге сс\ окружности, а затем - по прямой с,«, как режущая кромка железки ручного рубанка. Длина второго участка у щелевых битеров значител ьно превышает длину первого участка. Предстаал ение рабочего процесса об молота так, как будто каждый битер обрабатывает свою половину по высоте- это вариант. Второй вариант: одналопасть может обрабатывать всю толщину пласта метёлки.

пунктир)метёлки

Для рассмотрения очёса составим уравнение движения конца лопасти в параметрическом виде

3'1=Лв<;шсо/1 , (13)

где у„- скорое п. подачи. /?,- ради\с вальца. (О — окружная скорость вальца

Траекторией лопасти 1 будет кривая аЬ. Лопасть 2 опишет точно та^ю же кривую, смещенную в направлении перемещения машины на величину Х^, определяемую по формуле

хл=уи1й=\\*а/ох (14)

где а-центральный угол между соседними юпасчями

При этом ещё возможен изгиб плодоножки с западанием зерновки вуглуб-лениепфед обмолачивающей фомюй (рис. 11).

Рис 11 Западание зерновки в канавку и деформация плодоножки

Тогдауравнениедвижениялопасти 2 имеет вид:

= т1|ь-Л„л//!(о)Ь-а) ; у2 = Я„соя(ш1г<х).

(15)

Траекторией движения лопасти 2 будет кривая сс! (рис. 10). Зона очёса в проекции наосьдгравна

(16)

Абсцисса гочки с вхождения в метёлку, если Лм- радиус метелки, будет равна

V - ^^-/(„»«(и/с-а). (17)

Зняение^ найдем изусловия

Ус= 1>н= Я^со^ш^-а), (18)

отсюда

соь\шса)=3,Шв, (19)

Окончательно поспепреобразованияполучим:

и

п.

К. - /?..

К..-Ч, /агссов—"—

Я

(20)

Физическая модель растения применима к соцветию колос. Открытый академиком НИ. Вавиловым закон гомологических рядов предопределяет возможность уборки урожая растений с близкими физиологическими и морфологическими признаками одной технологией и одними рабочими органами. Аналогия в физиологических и морфологических признаках позволяет нам создать общую теорию инерционно-очёсного обмолота.

Общая теория применима к инерционно-очесному обмолоту растений с разными соцветиями

При вращении вальцов (рис. 12) кромка А создает импульс силы действующий на соцветие массой тс, поступившей в зону обмолотДПри-нято допущение, что величина рабочего зазора незначительна по сравнению с расстоянием между подающими и обмолачивающими вальцами, и соцветие движется по прямой из точки А в точку В. То есть под воздействием импульса силы масса движется в направлении АВ навстречу набегающей лопасти О2В2 вальца (1а).

Здесь следует заметить, что действие горизонтальной составляющей vA нейтрализуется удерживающим усилием подающих вальцов, вызывая проскальзывание соцветия относительно принимающей лопасти при отсутствии заметного сопротивления движению метёлки в поперечном направлении в зоне обмолота Д.

Направление соударения соцветия с кромкой В2 в точке В будет противоположным направлению еедвижения: скорость его и (или) зерно во к изменяется с до -Ууд , а импульс силы по отношению к зерновке будет создан как 2 т*ууд.

Для обеспечения такого взаимодействия обмолачиваемых соцветий с вальцами требуется соблюдение следующих условий:

- касательная плоскость к поверхности лопастей при входе в зону обмолота перпендикулфна к межосевой линии 0\02 вальцов.

- сдвиглопастей вальцовотносительнодругдруганаполовину межлопаст-ногоугла 2я/2г = 7с/г, если /-число лопастей на вальце;

Зависимость между указанными величинами характеризуется геометрическими соотношениями который в общем случае является разносторонним. Единственным уравнением связи между ними является теорема косинусов

Нами же предлагается МСУ комбинированного воздействия, поэтому необходимо обеспечить взаимодействие рабочей лопасти с соцветием при равенстве ууд и уг. Это возможно при равенстве угла между полной скоростью взаимодействия лопасти с соцветием V и ее составляющими в 45°. Тогда 1_ £)Л01=а= £>0,/1=45

Очёсное обмолачивание будет осуществляться за счет скольжения кромки А лопасти относительно соцветия, западания зерновок в канавку и зацепления их за порог. Скольжение осуществляется со скоростью - ско-

рость подачи обмолачиваемой массы.

Угол между лопатками на вальце при их числе I будет фл=27т/; . Для устранения возможности сдавливания слоя хлебной массы вальцы сдвинуты относительно другдруганаугол,равный половине фЛ, то естьна жИ.

На этот угол должна повернуться набегающая лопасть до встречи с отброшенным соцветием. С другой стороны, этотугол должен бытьравен

У

Рис 12 Пара битеров-вальцов общего назначения 1 - вал, 2 - шайба, 3 - опора, 4 - собственно лопасть, 5 - канавка, 6 - порог, 7 - выступ, 8 - синхронизирующая передача, 9 - нерабочая сторона грани вальца

произведению угловой скорости вальцов со на время, необходимое для преодоления зазора А=АВ метёлкой:

Значит, справедливо будет равенство

я/(= со*Д/( {i>ir*cos ф). (23)

Выражение (23) является уравнением синхронизации работы вальцов. Теперь выражение принимает вид:

зг//=[2(1 -cos ф)+ 8]/cos ф.

Откуда

Выражение (24) является основным критерием синхронизации вращения вальцов инерционно-очесного МСУ.

Сопротивление воздуха, действующее на метелку, пропорционально квадрату скорости:

(25)

где F- парусность (площадь метелки); ^ - ксефсрициенг сопротивления воздуха (Fn К) определяются экспериментально.

Действительная скорость соцветия в момент касания набегающей лопасти

В этом случае уравнение синхронизации вращения вальцов (24) после преобразований будет иметь вид

Д=( яli) cos ф[ 1 -(kj-rcos ф/тяс )♦( я/i)] - 2( 1 -cos). (27)

Во всех полученных выражениях определяющим размером МСУ является рабочий радиус. Через него выражены все другие конструктивные размеры МСУ. Его значение может быть определено из условия отделения зерновок из соцветии.

Если усилие отрыва зерновки от соцветия то условие ее отделения

должно выглядеть так:

где Р - сила соударения зерновки соцветия с набегающей лопастью (надо помнить, что по условию синхронизации вращения вальцов удар направлен перпендикулярно поверхности лопасти).

На основании теоремы об импульсе силы при соударении тела малой массы (зерновки) с телом несравненно большей массы (валец с подсоединенной трансмиссией) можно записать

где Л - время соударения; т - масса зерновки; Ду - уменьшение скорости.

Изменение скорости при ударе движущегося соцветия о набегающую лопасть будет

Подставив сюда уд из (26), получим:

Выражение для импульса силы можно записать

P*At-mcmr*cosy[2-(kBFr*cos<f>/m1)*n/i].

Откуда

Р=1/Д?*{ 7лсмг*со5ф[2-(*в/т*со5ф/ т,)* л//']}.

Условие (32) после соответствующих преобразований имеет вид

Ы*т/2 1тс)*(!)Рк„ г2-1,41 тса>г + ^01р*<й=0. (33)

Выражение (33) позволяет определить основной конструктивный размер рабочего радиуса вальцов МГУ при выбранной угловой скорости со их вращения.

Центробежные силы инерции, действующие на зерновку, выражение (33) не учитывает. Они будут в момент вымолачивания (при удержании метелки подающими вальцами, то есть подачей ее со скоростью у„) определяться величиной которая незначительна. Центробежная сила, действующая на зерновку, движущуюся по криволинейному контуру вращающейся лопасти, возрастает до и не только отделяет зерновку от материнского растения , но и способствует выделению зерна из соломы.

При заданной частоте вращения и отсутствии характеристик парусности соцветия можно определить размерную область, в какую может по-

пасть искомый радиус

Если из-за сопротивления воздуха метелка в зазоре потеряет свою вертикальную скорость, то после соударения с набегающей лопастью ее скорость будет равна V ^2/2*т^ыг, и в этом случае для вымолачивания необходимо будет соблюсти соотношение

Если же сопротивление воздуха незначительно, то выражение (34) станет

Время ударного импульса определяется величиной пути, на котором сжимается внутренний ряд колосков соцветия колос в размерной цепи лопасть -чешуйка колоска - зерновка - ось метелки - чешуйка наружного ряда -зерновка наружного ряда и упругие деформации. Оценка этого пути вместе с перемещением по лопасти дает результат 5=0,014 м.

Подставив Д/ в зависимости (34) и (35), получим из (35) минимальное значение радиуса вальцов, а из (34) - максимальное

В интервале гтш - гтах должны подбираться варианты испытываемых объектов при экспериментальной оптимизации размеров МСУ.

Энергетическиезатраты на обмолот в инерционно-очесныхМСУ.

Пусть секундная производительность МСУ равна А/ кг/с, и масса зерна в нем - кг, где Ц - доля зерновой части в хлебной массе. Тогда число

зерновок, отделяемых в единицу времени, равно: ц*\Л/тъ , с '.

Работа, затраченная на вымолот одной зерновки, равна Д1 ,

1 ле 5 - ранее указанная величина пути вымолота, 8=0,014 м

Общая энергия, затраченная на вымолот зерновок за 1 секунду (мощность, затраченная на вымолот) I,A~AA*z= F^pS *qM/m^=NB. (39)

Мощность, затрачиваемая приводом МСУ на транспортировку продуктов обмолота из молотильного зазора, равна:

.VK=Mv2/2=Mio2r„2/2, [(кг/с)*( 1/с2)*м2=кг*м/с2=Нм/с=Дж/с] , (40)

где г„ - наружный радиус лопасти.

Эта часть мощности при определенной организации потоков продуктов обмолота может быть попутно использована для сепарации.

Эта часть мощности при определенной организации потоков продуктов обмолота может быть попутно использована для транспортировки зерна в бункер.

При проходе хлебной массы в зоне обмолота затрачивается энергия на колебания ее в зазоре с амплитудой (от точки до точки

Кинетическая энергия вертикальных перемещений хлебной массы будет пропорциональна квадрату ckodoctji вертикального перемещения

V верт=Ш Г H*cos а. (41)

Мгновенное значение мощности при любом положении радиуса описанной окружности от начального [ан=л/2-(я/4+>|/)= 7t/4-V|/] до конечного [точка а=я/2] будет

NM= М>2верт /2~(М* a>V„/2)*cos2a. (42)

Полная мощность, затрачиваемая приводом МСУ на вертикальные колебания хлебной массы, теперь может быть подсчитана

После ряда преобразований получим выражение мощности, затрачиваемой на вертикальные перемещения

Первое относительное движение соцветия по лопасти дает результатом очёсывание соприкасающейся с лопастью стороны соцветия. После этого происходит передача на следующую лопасть (противоположного вальца) уже не всего соцветия, а половины его. Поэтому полученные потери на перемещение не удваиваются.

Увеличение скорости вертикальных перемещений за счет центробежных сил здесь не рассматриваются, так как горизонтальная скорость перемещения до точки еще определяется величиной продвижения стеблей подающими вальцами.

Мощность, затрачиваемая на трение стеблей о лопасти при очёсе, может быть найдена из следующих соображений. Работа трения массы М о лопасть будет равна

где ц - коэффициент трения хлебной массы о поверхность лопасти; -секундная подача; изменение скорости при ударе стеблей о лопасть;

путь трения за время контакта, - скорость подачи.

После преобразований выражение для мощности, затрачиваемой на трение, можно записать

Общая мощность МСУ равна:

ЛГ=Л/.+ ЛГ,+ Л/ирт+Яг. (48)

В главе 3 «Программа и методика экспериментальных исследований» приводятся разработанные автором, дополнительно к известным приборам, новые приборы, молотильные установки и дополнения к существующим методикам.

Изучались во взаимосвязи и взаимообусловленности такие вопросы: физико-механические свойства риса и сорго, геометрические параметры молотильного аппарата, его кинематические, динамические и энергетические величины; на основе поисковых опытов была выработана рабочая гипотеза построения теории обмолота молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного воздействия.

Повторность опытов и число измерений выбирались такими, чтобы обеспечить их надежность в пределах ошибки измерений.

Программа исследований инерционно-очёсного обмолота включала следующее:

- проведение скоростной киносъемки процесса очесывания метелок сорго рабочими органами «лопасти с канавками»;

- изготовление экспериментальной лабораторной установки и сменных битеров к ней;

- проведение лабораторных исследований процесса очесывания сорго рабочими органами «лопасти с канавками» с использованием методики оптимального планирования эксперимента;

- изготовление прямоточной выносной молотильной камеры с молотильным аппаратом инерционного воздействия разновидностей «лопасти с канавками» и «щелевые битеры»;

- проведение лабораторных исследований уборки сорго методом очесывания на корню прямоточной выно.сной молотильной камерой;

- энергетическая оценка обмолота на стационарной экспериментальной установке в лабораторных условиях;

На лабораторной установке (рис. 1|) проводились поисковые опыты и проверка теоретических положений. Рама 1 установки служит для крепления на ней питательного транспортера 2, подающих вальцов 3, опорного стола 4, обмолачивающих вальцов 5, чехлов для предотвращения потерь зерна, электродвигателей 6 и 7 для привода транспортера и обмолачивающих вальцов, соответствующих трансмиссий 8 и 9, спидометра 10 скорости подачи и датчика 11 дистанционного тахометра.

Для выяснения процессов, протекающих в зоне обмолота, применялась скоростная киносъемка, которая осуществлялась камерой СКС-1М с частотой 2000 2200 с1 На обмолот подавались отдельные растения и (или) пучки

В поисковых опытах оптимальные параметры должны были указать (предварительно) изготовленные 6 пар двугранных вальцов(рис 14) В табл 3 приведена их характеристика

Таблица 3

Характеристика вальцов в поисковых опытах

Профиль вальцов 0 А В С В Е ОР

Угол атаки, град 40 40 40 40 40 0

0 46 52 58 58 64 0

Амплитуда колебаний мм 35 23 29 35 35 43 35

Вальцы с выпуклой поверхностью граней, как установлено ранее теоретическими исследованиями, не повреждают стеблей В процессе экспериментальных исследований изменяли амплитуду юлебаний путем пересмены вальцов, придавая ей значения 18,23,29,35,43 мм при постоянном угле атаки, равном 40° и изменениями величины угла атаки 0,40,46,52,58,64° с одновременным (иначе не получается) изменением амплитуды

А В С И Е О ОР

Рис 14 Обмолачивающие вальцы поисковых опытов

Рис 13 Лабораторная установка

Расстояние между подаощими и обмолачивающими вальцами принималось наосновании проведенных опытов по определению стрелы прогаба упругой деформации стеблей надинамо графе

Таблица4

Варьирование формы вальцов

Параметры Профиль

А Б В Г д Е

Диаметр, мм 200 200 150 120 150 150

Амплитуда АН, мм 15 20 15 15 15 20

Число граней 4 3 4 4 4 3

Число ребер на грани 4 4 4 4 6 5

Радиус закругления, мм 30 30 20 5 20 0

Исполнение - открытое - - + + + +

Исполнение - закрытое + + - + - +

Расстояние между ребрами, мм 20 20 15 18 20 17

Проверка формы ребер проводилась сравнением процента вымолота вальцами с различной формой рёбер плоские ребра сечением 8*1 мм (рис. 15/?), круглые диаметром 2,5 мм (рис. 15, г), круглые диаметром 6 мм (рис. 15, д), трехгранные высотой 8 мм (рис 15,а б) Влажность продукта и характер подачи были аналогичны.

Потребляемая на обмолот мощность определялась на лабораторной установке (рис. 13) по методике, предусматривающей одновременно высокую точность измерений и синхронную запись нескольких измеряемых величин. Это достигалось применением лабораторных измерительных приборов класса точности 1,5 и кинокамеры «Киев-16М», осуществляющей синхронную запись их показаний.

А Б В Г Д

Рис 15 Различные формы рёбер

Скорость вальцов молотильного аппарата регулировалась реостатом якоря соответствующего двигателя так, чтобы она отличалась от заданной не более,

чем на ±5% Кинокамера фиксировала показания вольтметра, амперметра та-хометраи секундомера При определении мощности потребляемой наобмолот

Таблица

Точность шипов приборов и измерении

Объект или способ из черения Истинная | срын1 | арифчети Ошибка сре I не арифчети |ескои т Станлар! (7 Ко)ф вариации И Ошибка прибора Чмс к) варнаш П

че екая Х0 \

Отрыв зерна растяжением г*см 95 5 1 091 83 87 - 288

Отрыв 1ерна изгибом I Чм 61 1 0 12 43 69 8 - 396

транспортир ) 1°

Длина растений см 85 5 2 32 2 72 470

Д шна метепки см 172 1 78 10 3 470

кзассификатор 1 чм

Диамир ыебля мм 4 4 1 10 ->4 4 0 1 мм 470

Диаметр ножки мм 1 2 0 16 30 0 1 мм 47(1

учитывалась, кинетическая энергия вращающихся масс

Все резул ьтаты опытов на первом этап е исследований непоср едственных и косвенных измерений обрабатывались математически методом вариационной статистики Сведения по точности опытов измерений и погрешностей представлены в таблице 5

Рис 16 Ьшхры чо шфикации «топает с канавкой»

Точность приборов, выпускаемых промыш 1енностыо (тинеек штанген-цир^лей и тд ), выбиралась и; паспортов а вновь и поговленных - опреае1я-лась тарировкой на основе многократных и ¡мерений

По резулшпам поисковых опытов и скоростной киносъёмки была изго-тстена эксперименталЫ1ая лабораторная установка (рис. 17; 18) с битерами диаметром 150 мм(рис 16 > и количеством лопастей 2,3 и 4 для изученияобмо-.ютазернового сорго.

На этой же установке проводились лабораторные исследования применительно к уборке веничною оорго методом очёса зерна на корню и обмолоту растений в стационарных условиях. Определялись оптимальные параметры и режимыработыочёсываюшего рабочего органа «щелевой битер».

Были изготовлены 5 пар битеров: де^х-, трех- и четырехлопастные диаметром 150 мм, а также трех- и двухлопастные диаметром 110 и двух- и четырех -лопастныедиаметром 130 мм (рис. 19;20).

Fia 17 Экспериментальная иборагорная чаановка 1 - каркас. 2 - обчо мчиваюпше онIеры, 3 - рама злекгролвиписм 4 - 1 тектродвигатель. 5 - щшки <i - направляющая воронка

Методика планирования много фактор но го многокритериального эксперимента включала ранжировку факторов, влияющих на обмолот. Ими являются: число лопастей на битерах (.v|); диаметр битеров (дг2); скорость подани обмолачиваемых растений (Х));чаетота вращения битеров^).

Матрица четырёх факторно го эксперимента планаРехтшафнераприведена в табл.6.Опыты при реали ¡алии плана про годились на очёсе метёлоксорго ве-ничного вчетырёхкратной повторности.

гис 18 Экспериментальная лабораторная остановка привод 4 - электродвигатель. 1 -каркас установки. 7 - плита

Таблица 6

Факторы и уровни их варьирования

Факторы Един, измерения Уровни факторов и

-1 Г 0 I 1

Кол-во лопастей шт 2 3 ! 4 1

Диаметр вальцов Скорость подачи растений мм. м/с 110 130 ; 150 20

0,2 | 0,4 ; о,б 1 0,2

Частота вращения битеров мин'1 1000 1200 1 1400 200

Рис. 19. Двух-, трех- и четырёхлопастные битеры

Рис. 20. Битеры разного диаметра

Рис 21 Макетный образец сорговеничного комбайна 1 - ПВМК, 2 - бункер, 3 - режущий аппарат, 4 - трактор, 5 - транспортер, 6 - тележка

Технологическая схема комбайна (рис. 21) для уборки всего урожая ве-ничного сорго заключается в следующем: 1) обмолот растений на корню с транспортировкой зерна в бункер; 2) срез метёлок; 3) транспортировка метёлок в прицеп 2ПТС-4М. Технологическая часть макетного образца комбайна смонтирована на тракторном самоходном шасси Т-16МГ.

В главе 4 «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приводятся результаты экспериментов, которые полностью подтверждают теорию инерционно-очёсного обмолота. Выводы по главе 4 приводятся ниже.

1. Размерно-массовые характеристики и показатели физико-механических свойств обмолачиваемой массы риса, сорго зернового, сахарного и веничного позволили уточнить и обосновать некоторые конструктивные параметры инер-ционно-очесных МСУ. Характеристики и показатели совпадают с данными литературных источников;

- влажность листостебельной части растений риса и сорго находится в пределах 50...78 %, а влажность зерна - 25...32 %, что соответствует литературным данным;

- коэффициенты трения частей растений находятся в пределах величин, полученных другими исследователями, с увеличением влажности растений они увеличиваются;

- величина максимальной стрелы упругого прогиба стебля позволила обосновать расстояние между подающими и обмолачивающими вальцами (битерами);

- полученные величины критических радиусов изгиба частей растений позволили назначить кривизну собственно лопасти и выступа.

2. Экспериментально доказано, что:

- в процессе обмолота с окружной скоростью битеров диапазона 4,5... 18,0 м/с наиболее подходящей для селекционного обмолота оказалась скорость, равная 9...10 м/с; воздействие на плод-зерновку - свободный удар;

- рабочие органы разрушают плодоножку изгибом с растяжением, причем изгиб преобладает;

- работа отделения одного зерна риса или сорго составляет: деформацией растяжения плодоножки - порядка 0,009 Дж, а деформацией изгиба - порядка 0,006Дж;

- в процессе обмолота сохраняются стебли, листья, ножка метелки и все ветви метелки, что привело к значительному снижению удельных энергозатрат по сравнению с очёсным устройством ВНИИ СЗК;

- снижения энергии прорастания и всхожести у зерен, обмолоченных инер-ционно-очесным МСУ, не отмечено;

- выбор профиля вальца в главе 1 и результаты графоаналитических исследований в главе 2 подтверждены экспериментально: профиль и-угольник с выпуклыми сторонами и скругленными углами; за основу принято эффективность воздействия которого на хлебную массу подтверждена экспериментально.

3. Экспериментальные исследования позволили скорректировать конструкции битеров и способы их изготовления:

- для малой серии или штучного изготовления удобна следующая конструкция - на опоре-трубе привариваются профили вальцов эллиптического сечения или треугольник (квадрат) с выпуклыми сторонами и скругленными углами, обтягиваются листовой сталью;

для средней серии вальцов или битеров отдельно штампуются, затем свариваются собственно лопасть, канавка и выступ;

- в крупносерийном производстве всю рабочую поверхность лопасти целесообразно штамповать из пластика.

Рис 22 Результаты обмолота с постоянной подачей г„=0,25 м/с и углом атаки 8=40° (угол атаки профилей О и ОРравен 0°)

4. Разработаны, изготовлены и исследованы 5 модификаций МСУ:

- с рёбрами, выступающими над рабочей поверхностью;

- с канавкой, углублённой в лопасть;

- щелевые битеры;

щелевые битеры с транспортирующими пластинами сзади щели;

- трубные вальцы со шнеком в трубе и щелями в лопастях.

1,« 1.5 2,0 2,5 3.0 3,5

Скорость подачи, м/с

Рис.23 Граничный режим обмолота вальцами профиля А

5. Инерционно-очёсные МСУ обмолачивают сорго в широком диапазоне влажности - до 70 % (листья и стебли). Несмотря на специфику назначения, инерционно-очесные МСУ способны успешно обмолачивать колосовые влажностью до 45,8 % (рис. 23) и бобовые культуры. Способность обмолачивать иные культуры объясняется общностью физической модели: массивные плоды на длинной, упругой, консольно закрепленной балке.

Инерционно-очёсные МСУ способны сочетать в себе не только обмолот, но и сепарирование зерна (рис. 24), чему способствует сохранность листьев и стеблей. Сепарация усиливается введением фартука и стола, (и) шнеком в трубных вальцах.

6. Удельные затраты энергии в инерционно-очесных МСУ составляют от 0,16 до 0,36 кВт*с на 1 кг хлебной массы, что определено расчетами, троекратно на разных модификациях проверено замерами и достаточной мощностью 0,84 кВт двигателя на битеры длиной 1200 мм в ПВМК макетного образца сор-говеничного комбайна. Успешно обмолачивают рис и сорго зерновое, сахарное и веничное стационарные молотилки массой 18...26 кг, приводимые в действие от электродвигателей мощностью 0,35, 0,27, 0,25 кВт с включением в однофазную сеть по схеме с конденсатором.

Рис 24 Отражение тел пластинкой, расположенной под углом к радиусу о . стальной шарик, о - зерновкариса, • - резиновый шарж

8. Проведённый многофакторный эксперимент позволил выявить оптимальные параметры инерционно-очёсного МСУ: количество лопастей - 3, диаметр (описанной окружности) битеров - 125... 140 мм, скорость подачи хлебной массы - 0,27...0,5 м/с, частота вращения битеров - 1200...1300 мин" . Отдельно проведенные эксперименты подтверждают возможность увеличения окружной скорости до 18 м/с и скорости подачи до 3 м/с.

9. Сохранение инерционно-очесным МСУ зерна, обмолоченного в более

ранних фазах спелости (восковой, неполной восковой, молочно-восковой, молочной и зеленой) создает новые перспективы использования разработанных молотильных устройств в технологиях уборки зерновых культур и высокопродуктивных трав, а также в селекции и семеноводстве.

урожая сорго в разные емкости

11ГГС-4М

Рис 25 Агрегат для уборки всего биологического

Практическое использование результатов научных исследовании инер-ционно-очёсных МСУ Первое практическое использование В 1988 году в НПО «Саратовсорго» был построен агрегат для уборки всего биологического урожая сорго сахарного Агрегат состоял из комбайна СК-5 «Нива» приспособления ППК-4 и блока из четырех выносных молотильных камер с битерами ВГСХА, смонтированного на портале впереди ППК-4 Вальцы второй модификации, лопасти с канавками, патент № 2023374, приор 14 05 90 , диаметром 150 мм и рабочей длиной 500 мм были изготовлены по присоединительным размерам заказчика Двух-, трёх- и четырехлопастные битеры были испытаны в лаборатории НПО Комплект трёхлопастных битеров был установлен в выносные молотильные камеры соргоуборочного агрегата (рис 33], который в 1990 году убрал запланированные поля сорго

Второй выход в практическое использование в 1991 г — лабораторная молотилка для Волгоградского филиала ВНИИ СЗК (селекционер Куликов А И ) Предусмотрена возможность изменения частоты вращения битеров в пределах 900 1800 мин1

Третий выход в производство совершили два лабораторных молотильных аппарата В лаборатории программирования урожая Волгоградской ГСХА, которой руководил профессор Филин В И, зимой 1992 1993 года аспиранты Бугреев А А и Чертоусов В А намопотили на изготовленных мною молотильных аппаратах (рис 26) свыше 5000 кг семян сорго-суданкового гибрида

Четвертый выход в производство осуществился в ОПХ ВНИАЛМИ Сор-говеничная молотилка инерционно-очёсного воздействия (рис 27) увеличивает выход продукции на 30 % Потребляемая мощность 0,15 кВт в 20 раз меньше мощности барабанной молотилки, эксплуатируемой в ОПХ

Рис 26 МСУ и семена сорго суданкового Рис 27 Молотилка МСВ 60

гибрида

Новая молотилка готовит сырья за 1 час работы на 60 веников, что соответствует сезонной программе веничного цеха 30 тысяч веников

Пятое - «Волгоградагропромэнерго» - обмолочено 5000 снопов

Рис 28 Макетный образец сорговеничного комбайна на полевых испытаниях

Шестое практическое использование МСУ инерционно-очесного воздействия наш 10 в макетном образце сорговеничного комбайна (рис собранного Шариповым Р В (патенты №№ 2023369, 2090048, 2199203, 2220531) Комбайн состоит из трактора Т-16МГ, прямоточной выносной молотильной камеры (ГШМК), жатки, ленточного транспортёра, тракторной тележки 2ПТС-4М В августе-сентябре 2002 года макетный образец сорговеничного комбайна прошёл полевые испытания с положительными результатами за 1 час работы намолачивает 1900 кг семян и готовит сырья на 2540 веников, скашивая растения на площади 0,34 га

Экономическая эффективность Применение инерционно-очёсных МСУ в зерноуборочных комбайнах позволит снизить удельные энергозатраты на обмолот до 0,16 0,36 кДж на 1 кг подачи хлебной массы по сравнению с 4,92 кДж/кг в очёсном МСУ ВНИИ СЗК

В связи с низкой засорённостью зернового вороха (2,0 3,0 %), получаемого в инерционно-очёсном МСУ, допустимо сравнение удельных энергозатрат с молотилкой зерноуборочного комбайна

Технико-экономическое обоснование

Базовая модель - комбайн КЗС-3 «Русь» Ширина захвата равна 4,1 м Пропускная способность молотилки равна 5 кг/с Сезонная наработка комбайна составляет 400 га Продолжительность смены равна ^м = 7 ч Коэффициент использования сменного времени - 0,7 Балансовая стоимость комбайна КЗС-3 «Русь» 819 000 руб Масса комбайна равна 6 850 кг Издержки на эксплуатацию равны = 462,59 руб /га

Новая конструкция комбайна

Комбайн навешен на трактор МТЗ-100 (рис 29), ширина захвата- 4,1 м Балансовая стоимость конструкции комбайна равна 482 000 руб Пропускная способность молотилки принята равной 5 кг/с

Сезонная наработка комбайна - 400 га Продолжительность смены ^ = 7 ч Коэффициент использования сменного времени равен 0,7 Масса комбайна равна 3 200 кг

Рис 29 Навесной комбайн 1 - делитель 2 - прямоточная выносная молотильная камера 3 режущий аппарат 4 - шнек 5 окно 6 - валок 7 - бункер 8 - трактор М Н-100

Годовая экономия приведенных затрат

Эпзг = (П„ -Пз2) • Всез = ( 1 305,8 - 762,8) • 400 = 217 200 руб

Снижение приведённых затрат

Спз = (Пз1-Пз2):Пз1 • 100 = (] 305,8-762,8): 1 305,8 • 100-41,6%

Срок окупаемости конструкции

года

Общие выводы

1 Использование молотильно-сепарируюших устройств (МСУ) инерцион-но-очёсного воздействия в широком диапазоне влажности стало возможным в результате

а) обмолота в просторном молотильном зазоре,

б) при небольших ударных нагрузках поперёк стебля;

в) соответствия рабочих поверхностей МСУ критическим радиусам изгиба соцветий растений.

На основе рациональной формулы, предложенной В.П. Горячкиным, разработана теория инерционно-очёсного обмолота, позволяющего проводить уборку зерновой и незерновой частей урожая без повреждений.

Составляющей частью инерционно-очёсного обмолота принята физическая модель соцветия, как сосредоточенная масса, закреплённая на длинной, упругой консольной балке. Введено и обосновано понятие «захлёстывание» -вращение массы на уменьшающемся радиусе.

2. Предложенная теория инерционно-очёсного обмолота состоит из трёх частей. Первая часть - условия сохранения, в процессе обмолота, стеблей и листьев в целости: щадящие ударные нагрузки поперёк стеблей в просторном молотильном зазоре.

Вторая часть теории - отделение плода-зерновки метёлочных культур от материнского растения: в своём движении по лопасти плод-зерновка западает в канавку, и обмолачивающая кромка деформирует плодоножку изгибом с растяжением.

Третья часть - теория выделения зёрен преимущественно из колоса - применима к обмолоту колосовых культур и культур с иными соцветиями.

2. В процессе исследований приоритетом было получение семян с растений влажностью зерна 30...25 % и незерновой части - 70...60 %. Такая задача решена - все модификации молотильно-сепарирующих устройств инерционно-очёсного воздействия способны обмолачивать метёлочные культуры сорго и рис в широких пределах влажности, включая указанные выше.

3. Предложен новый вид очёсных МСУ - инерционно-очёсный, характеризующийся признаками:

- пара синхронных вальцов я-угольного профиля, имеющего выпуклые стороны и скруглённые вершины;

- пара синхронных битеров с п закреплёнными на опоре наклонёнными назад выпуклыми криволинейными лопастями; п = 1 ...6.

Определена необходимая структура поверхностей:

а) вальцов - передняя половина грани, углубление (канавка), обмолачивающая кромка, транспортирующая площадка, выступ;

б) битеров - собственно лопасть, углубление, (канавка или щель), обмолачивающая кромка, транспортирующая площадка (пластина), выступ.

4. Стебли и листья сохраняются в целости. Обмолот осуществляется в просторном молотильном зазоре 20...25 мм; при этом толщина распластанной по лопасти метёлки равна 8... 10 (максимально 15) мм, диаметр стебля равен 5...7 мм, а максимальный диаметр комля растения - 20 мм.

Метёлка сохраняется в целости, так как радиусы кривизны собственно лопасти 120 мм и выступа 20; 15; 10 мм больше критических радиусов изгиба, которые равны: ветви I порядка -47...50 мм, ветви II порядка - 22. ..26 мм, ветви III порядка -40...6,0 мм, ветви IV порядка (плодоножка)-0,8... 1,0 мм.

5. Разработано 5 модификаций молотильно-сепарирующих устройств инерционно-очёсного воздействия, которые осуществляют обмолот зерновых

культур отделением плодоножки. Полнота вымолота всеми модификациями МСУ составляет 98,0...99,0 %, засорённость зернового вороха 1,5...2,0, максимум 3,0 %.

6. Рабочие органы «лопасти с канавками» являются универсальными для обмолота растений с различными соцветиями: метёлка, колос, боб. Канавка расположена между собственно лопастью и выступом, её глубина равна 3...4 мм, ширина - 10...12 мм; сопряжения с собственно лопастью и выступом плавные.

Наиболее изучены вальцы (битеры) диаметром 150 мм, с числом лопастей 3, оптимальная частота вращения равна 1250±50 мин-1, что и рекомендуется производству.

7. Инерционно-очёсный обмолот осуществляется без внедрения рабочих органов внутрь слоя хлебной массы, что исключает обрыв путанины. Сохранение в целости всех частей растения, кроме плодоножки, позволило значительно снизить удельные энергозатраты на обмолот зерна. По подсчётам они составляют 220 Вт-с/кг хлебной массы, в лабораторных измерениях - 0,16...0,36 кДж на 1 кг хлебной массы, в полевых испытаниях макетного образца сорговенич-ного комбайна мощность двигателя МСУ составила 840 Вт на 1200 мм длины пары вальцов.

8. Низкие удельные энергозатраты позволили разработать технологические схемы уборки урожая зерновых культур на основе инерционно-очёсного обмолота:

• стационарная молотилка, предназначенная для селекции и первичного семеноводства, проверено в производстве;

• агрегат для уборки всего наземного биологического урожая сорго в разные ёмкости на основе комбайна СК-5 «Нива» - проверено в производстве;

• комбайн сорговеничный для сбора семян и обмолоченных метёлок в разные ёмкости. Поскольку веничное сорго - культура двойного назначения, (фураж и метёлки для веников), то правомочен положительный вывод о хозяйственной проверке комбайна с малой мощностью двигателя - 25 л. с. - для уборки всего биологического урожая сорго в разные ёмкости;

• навесной на тракторе МТЗ-100 комбайн предназначен для уборки зерновых культур с соцветиями метёлка и колос, а также высокопродуктивных кормовых культур с иными соцветиями. С учётом проявления высоких репродуктивных качеств семян, обмолоченных в более ранних фазах созревания, чем полная спелость, навесной комбайн предназначен также для сбора всего биологического урожая. Уборка урожая в более ранней фазе, чем полная спелость, позволит предотвратить потери зерна от неравномерности созревания семян в соцветии.

9. Инерционно-очёсный обмолот осуществляется без внедрения рабочих органов внутрь слоя хлебной массы, что исключает обрыв путанины, при этом:

- удельные энергозатраты на обмолот инерционно-очёсным МСУ находятся в пределах 0,16...0,36 кВт на 1 кг/с подачи хлебной массы. Это позволяет значительно уменьшить массу зерноуборочного комбайна, снизить расход топлива на уборку урожая.

10. Технологии уборки урожая с применением инерционно-очёсных МСУ положительно влияют на сбережение ресурсов и экологию окружающей среды: уменьшение расхода топлива, уборка зерна и листостебельной массы в разные ёмкости одним проходом комбайна (агрегата), снижение необходимой мощности двигателя, уменьшение массы комбайна, снижение уплотнения почвы.

Рекомендации производству

Инерционно-очёсный обмолот рекомендуется применять в селекции и первичном семеноводстве; семена свободны от повреждений при более ранней фазе спелости, чем полная спелость.

Технологические схемы комбайнов с инерционно-очёсными МСУ рекомендуются для уборки всего биологического урожая зерновых и кормовых культур: зерно и листостебельная масса в разные ёмкости одним проходом комбайна.

Рекомендуются следующие параметры инерционно-очёсных МСУ: диаметр битеров - 150 мм, число лопастей 3, радиус кривизны лопасти - 80... 120 мм, радиус кривизны выступа - 10... 15 мм, глубина канавки - 4 мм, ширина канавки- 10... 12 мм, вылет лопасти-50... 5 7 мм.

Селекционный обмолот рекомендуется проводить на режиме: скорость подачи - 0, 25.. .0,50 м/с, скорость обмолота - 9,0... 10,0 м/с.

Уборку урожая метёлочных культур, колосовых и культур с иными соцветиями рекомендуется проводить с подачей от 0,5 до 3,0 м/с, при этом окружная скорость обмолота соответственно выбирается в пределах от 10 до 18 м/с. Выносные молотильные камеры - продольно-ручьевые. Ширина захвата комбайна до 12 м позволяет значительно увеличить производительность комбайнов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Скворцов А К Исследование вибрационно-импульсного молотильного аппарата для риса. Труды ЧИМЭСХ, вып. 35. - Челябинск. - 1968. - С. 87-88.

2. Скворцов А КО технике скоростной киносъёмки /А.К. Скворцов, А.Ф. Долгов //Механизация и электрификация соц. сельского хозяйства. -1971.-№8.-С. 55-56.

3. Скворцов А К Методика определения коэффициента трения с.-х. материалов фрикциометром-полуавтоматом / А.К. Скворцов, А.Г. Казанков. Сборник трудов СХИ. - Ворошиловград. - 1979. - С. 55-57.

4. Скворцов А К Научно обоснованные системы ведения агропромышленного производства Волгоградской области на 13-ю пятилетку /112 авторов. - Волгоград: Универсал, 1991. - 110 с.

5. Скворцов А К Молотилка зеленых растений /СВ. Иленева, А.К. Скворцов, А.Н. Цепляев// Степные просторы. - 1993. - № 11. - С. 19-20.

6. Скворцов А К Этапы внедрения молотильно-сепарирующих устройств для метёлочных культур /А.К. Скворцов// Соверш. науч. обесп. и подг кадров для агропром. произв. Волгогр. обл.: Материалы науч.-практ.

конф. 8-12 февраля 1993 г. - Волгоград, 1993. - С. 237-239.

7. Скворцов А К Молотильно-сепарирующее устройство: Патент РФ № 2007067, приор. 12.12.1990 (46) 15.02.94 Бюл. № 3.

8. Скворцов А К Рабочий орган молотильно-сепарирующего устройства: Патент РФ № 2023374, приор 14 05.90. (46) 30.11.94 Бюл. № 22.

9. Скворцов А К Щелевой битер: Патент РФ № 2023369, приор. 3.10.90. (46) 30.11.94 Бюл. №22.

10. Скворцов А К Влияние физико-механических свойств метелочных растений на основные параметры молотильного аппарата / А.К. Скворцов, СВ. Иленева, А.Н. Цепляев// Тезисы докл. 1-ой межвуз. науч.-практ конф. студ. и мол. ученых Волгогр. обл. - Волгоград : ВГСХА, 1994. - С. 58-59

11. Скворцов А К Этапы внедрения молотильно-сепарирующих устройств для метёлочных культур /А.К. Скворцов// Соверш. науч. обесп. и подг. кадров для агропром. произв. Волгогр. обл.: Материалы науч.-практ. конф. 8-12 февраля 1993 г. - Волгоград, 1993. - С. 237-239.

12. . Скворцов А КО некоторых аспектах применения молотилки сорго /А.К. Скворцов, СВ. Иленева/ Повышение ресурса, надежности и эффективности с.-х. техники: Межвуз. сб. науч. тр.. - Элиста, 1996. - С 72-78.

13. Скворцов А К Технология переработки урожая сорго веничного /А.К. Скворцов/ Ученые ВСХИ - науке и практике: Матер, международ, науч. конф., поев. 50-летию вуза. - Волгоград, 1996. - С. 134-135.

14. Скворцов А К Прямоточная выносная молотильная камера /СВ. Иленева, А.К Скворцов, А.Н. Цепляев/: Патент РФ № 2090048, приор. 11.07.95. (46) 20.09.97 Бюл. № 26.

15. Скворцов А К Соргоуборочный комбайн /А.К. Скворцов, А.Н. Цепляев, СВ. Иленева, Ю.П. Дегтярёв// Научный вестник. Инженерные науки, вып. 2. - Волгоград, 1999. - С. 118-120.

16. Скворцов А К Инерционный обмолот: подача растений, отделение зерна и транспортировка его в бункер /А.К. Скворцов/ Матер, международ, науч.-практ. конф. «Проблемы АПК», поев. 60-летию Победы под Сталинградом //Инженерные науки/ВГСХА. - Волгоград, 2003. - С. 59-61.

17. Скворцов А К Комбайн для уборки сорго веничного / А.И. Ряднов, А.К. Скворцов, СВ. Иленева, Р.В. Шарипов/: Патент РФ № 2220531, приор. 20.03.2002. (46) 10.01.2004 Бюл. № 1.

18. Скворцов А К Общие и индивидуальные достоинства инерционных молотильных аппаратов/ А.К. Скворцов / Матер, международ, науч.-практ. конф. «Проблемы АПК», поев. 60-летию Победы под Сталинградом //Инженерные науки/ ВГСХА, Россия. - Волгоград, 2003. - С. 61-63.

19. Скворцов А К Основы теории инерционно-очёсного обмолота метёлочных культур// Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства: Матер, международной науч.-практ. конференции, посвящ. 60-летию образования Волгоградской ГСХА// Инж. науки. - Волгоград, 2004. - С. 3839.

20. Скворцов А К Практическое использование результатов научных исследований инерционных молотильных аппаратов /А.К. Скворцов/ Матер, международ, науч.-практ. конф «Проблемы АПК», поев. 60-летию Победы

под Сталинградом //Инженер. науки/ВГСХА - Волгоград, 2003. - С. 64-65.

21. Скворцов А.К. Прямоточная выносная молотильная камера /А.К. Скворцов, СВ. Иленева, А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров : Информ. листок № 51-192-00: Волгогр. ЦНТИ, 2000 - 4 с.

22. Скворцов А.К. Стационарная молотилка для сорго /А.К. Скворцов, СВ. Иленева, А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров:Вестник АПК. - 2000. - №8 (169).-СЗ.

23. Скворцов А.К. Сепарирование в молотильных аппаратах инерционного типа /А.К. Скворцов, СВ. Иленева// Проблемы научного обеспечения экономической эффективности орошаемого земледелия в рыночных условиях: Матер, междунар. науч.-практ. конференции, поев. 100-летию со дня рожд. засл. мелиор. докт. с.-х. наук, проф. М.Н. Багрова/ Волгоградская ГСХА. - Волгоград, 2001. - С. 212-213.

24. Скворцов А.К. Установка для обмолота сорго / А.К. Скворцов, СВ. Иленева, Р.В. Шарипов/ Аграрная наука на современном этапе//Сб. науч. тр. по матер. Всероссийской конференции 29.01 - 1.02.2002. СПбГАУ. - 2002. -(0,7 с).

25. Скворцов А.К. Результаты экспериментальных исследований обмолота сорго веничного /А.К. Скворцов, А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов/ Матер, международ, науч.-практ. конф. «Проблемы АПК», поев. 60-летию Победы под Сталинградом //Инж. науки/ ВГСХА, Россия. - Волгоград, 2003. - С. 9899.

26. Скворцов А.К. Сорговеничный комбайн /А.К. Скворцов, А.И. Ряд-нов, Р.В. Шарипов:Информ. листок № 51-046-03:Волг. ЦНТИ, 2003. - 4 с.

27. Скворцов А.К. Способы подачи массы в МСУ инерционного типа /А.К. Скворцов, СВ. Иленева, А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов: Научный вестник. Инженерные науки, вып. 4 : ВГСХА - Волгоград, 2003. - С. 148.

28. Скворцов А.К. Стационарная молотилка для веничного сорго /А.К. Скворцов, А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов : информ. листок № 5107103: Волг. ЦНТИ, 2003. - 3 с.

Скворцов А.К. Технология уборки сорго веничного /А.К. Скворцов, А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов : Инф. листок № 51-200-03: Волгогр. ЦНТИ, 2003.-3 с.

29. Скворцов А.К. Щелевой битер с транспортирующей пластиной/ А.И. Ряднов, А.К. Скворцов, СВ. Иленева, Р.В. Шарипов/: Патент РФ № 2199203, приор. 15.11.2000. (46) 27.02.2003 Бюл. № 6.

30. Скворцов А.К. Инерционно-очёсное молотильное устройство/А.К. Скворцов, А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов//Сельский механизатор. - 2004. - № 6. -

с.8

31. Скворцов А.К. Комбайн убирает веничное сорго/А.К. Скворцов, А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов//Сельский механизатор. - 2004. - № 1. - С. 8-9.

32. Скворцов А.К. Основы теории инерционно-очёсного обмолота /А.К. Скворцов// Механизация и электриф. сельского хозяйства. - 2004. - № 8. - С. 28-30.

40

05.17 - 05.21

33. Скворцов А К Оптимизация конструкций инерционно-очёсных МСУ/А.К. Скворцов, Н.Г. Кузнецов//Тракторы и сельхозмашины. - 2004. - № 10.-С. 36-38.

34. Скворцов А К Инерционно-очёсные молотильные устройства, их осо-бенности/А.К. Скворцов //Сельский механизатор. - 2004. - № 10. - С. 22-23.

35. Скворцов А К Перспективы применения инерционно-очёсного обмолота в семеноводстве/ А.К. Скворцов, СВ. Иленева, Р.В. Шарипов/: Вавиловские чтения - 2004. - Матер, всеросс. науч.-практ. конф., поев. 117 год. со дня рожд. акад. Н.И. Вавилова. Секция мех. и эл. с.-х.:Саратов. - 2004. - С. 49-51.

36. Скворцов А К Особенности инерционно-очёсных молотильных аппаратов / А.К. Скворцов, СВ. Иленева, Р.В. Шарипов/: Вавиловские чтения -2004. - Матер, всеросс. науч.-практ. конф., поев. 117 год. со дня рожд. акад. Н.И. Вавилова.Секция мех. и эл с -х Саратов. - 2004. - С. 115-118.

Подписано в печать 15 02 05 Формат 60*84'/, Уч -изд л 2,0 Тираж '00. Заказ 38.

'6

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»

400002, Волгоград, Институтская, 8

Аннотация

Пояснения к терминам, символам

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1. Культура сорго, её биологические особенности

1.2. Биологические особенности риса и условия работы комбайнов

1.3. Существующие технологии уборки сорго

1.3.1. Уборка семенников сорго

1.1.2. Уборка зернового сорго на зерносенаж (монокорм)

1.3.3. Уборка сорго на силос

1.3.4. Уборка сорго на зелёный корм, сено и сенаж

1.4. Семеноводство

1.5. Существующие молотильные аппараты и анализ их рабочих процессов

1.6. Адекватная теория обмолота хлебных культур

1.7. Выводы по главе

1.8. Цель и задачи исследования

Глава 2. Теория инерционно-очёсного обмолота

2.1. Способы подачи растений в молотильное устройство 2.2. Способы разрушения плодоножки

2.3. Условие сохранения стеблей (графоаналитическое исследование)

2.3.1. Первый этап

2.3.2. Второй этап

2.4. Рабочий процесс обмолота

2.5. Кинематика и динамика процесса отделения зерна

2.6. Аналогии к инерционно-очёсному обмолоту 131 1 2.7. Параметры инерционно-очёсного МСУ. Молотильный зазор

2.7.1. Частота пульсаций, диаметр вальцов, число лопастей и обмолачивающих кромок

2.7.2. Однолопастные вальцы

2.8. Оптимизация конструктивных параметров инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств. Удельные энергозатраты

2.9. Транспортировка зерна

Актуальность проблемы. Задача науки во все времена заключается в повышении производительности труда, повышении качества технологических процессов и уменьшении материальных и энергетических затрат.

Рассматривая историю развития процесса обмолота, следует отметить, что человек первоначально извлекал зёрна диких злаков безо всяких механизмов путём растирания колосьев или метёлок между ладоней, отделял зерна от растений деревянным пестом в деревянной ступе, позже цепами на току, копытами животных, рубчатыми катками. И делал это с небольшими затратами энергии. Современная технология уборки зерновых культур - обмолот комбайном. ^ Земледелец, обмолачивавший урожай зерновых на току, был ограничен в энергетических возможностях одной лошадиной силой. При обмолоте цепами один работник во время длительной работы развивает мощность 0,1 л. е., а 10 работников, следовательно — 1 л. с. Обмолот естественно осуществлялся с минимально возможными затратами энергии. Современный комбайн Дон-1500Б оснащён двигателем мощностью 235 л. с. и расходует на обмолот 1 кг/с хлебной массы 7 кВт, а на обмолот и очистку зерна - 15 кВт.

Созданные человечеством зерноуборочные комбайны универсальны, убирают зерновые культуры (колосовые и метёлочные), бобовые, кукурузу, подсолнечник и семена трав. Эти культуры имеют разные соцветия, которые обмолачивает одно и ^ то же МСУ «барабан-дека». И если колосовые культуры убирают летом при жаркой погоде и сухом воздухе, то недостаток классического МСУ не проявляет себя резко отрицательно.

А недостаток следующий. На рисунках 1 и 2 представлены рядом для сравнения МСУ «барабан-дека» [242] и дробилка. Конструкции МСУ «барабан-дека» (рис. 1) и молотковой дробилки типа ДКУ-1, КДУ-2, ДБ-5 (рис. 2) имеют много общего: барабаны и деки, бичи и секции молотков, в обоих случаях — сепарирующие устройства. Ряды молотков и бичи, гребни деки дробилки и Ф выступы деки МСУ одинаково характерны скруглёнными углами рабочих поверхностей. Способ воздействия на сырье тоже одинаков — перетирание. Можно # отметить отличие не в пользу МСУ, в котором молотильный зазор жёсткий, а в дробилке шарнирно подвешенные молотки демпфируют рабочий зазор, смягчая воздействие на сырьё.

Метёлочные культуры рис и сорго имеют длительный период вегетации, от 125 до 150 дней; их фаза полной спелости приходится на осень с её высокой атмосферной влажностью, осадками, пасмурным небом, холодами и заморозками. В фазе полной спелости зерна листья и стебли метёлочных культур содержат 70. .60 % влаги, а зёрна - 30. .25 %.

В процессе обмолота в классическом МСУ «барабан-дека» происходит перебивание стеблей и листьев. Повреждённые стебли, листья, ветви метёлок

Рис.1. Молотильный аппарат «барабан-дека» рисоуборочного комбайна «Енисей»

Рис. 2. Схема дробилки зерна выделяют клейкий сок; этот сок подсыхает, и барабан молотильного аппарата останавливается. Кроме того, на ненужные операции — трение сжатой между барабаном и декой хлебной массы, перебивание стеблей и листьев, повреждение зерна - расходуется много энергии. В МСУ «барабан-дека» удельные затраты энергии на перебивание стеблей и листьев, на трение между барабаном, хлебной массой и декой составляют 70 % от всех затрат на обмолот.

Выделение зёрен из соломистого вороха, представляющего собой пространственную решётку из перебитых стеблей листьев, соцветий, требует дополнительных затрат энергии на решётный стан, вентилятор, соломотряс. В Ш целом на молотилку приходится 80 % (76.86) мощности двигателя комбайна. При таких обстоятельствах перетирание всей хлебной массы, как способ обмолота, является мало подходящим воздействием.

По рациональной формуле В.П. Горячкина [58] мощность (работа, энергия, усилие) распределяется для молотильного барабана, как:

Nm = NT + N3 + Nc + Nya, где NnT - мощность, затрачиваемая бильным барабаном на деформацию (перетирание) хлебной массы; NT - трение в подшипниках и перемешивание воздуха; iV3- выделение зерна (разрушение колоса); Nc- разрушение стеблей; Nya — удар и сообщение скорости продуктам обмолота.

М.А. Пустыгин [214] выявил такое распределение мощности для бильного барабана в процентах (табл. 1.1)

Таблица 1.1

Распределение потребляемой барабаном мощности

1 Вредные сопротивления 23

2 Перетирание (сопротивление деки), 70 в том числе: а) трение от сжатия стеблей 30 б) трение от изгиба стеблей 15 в) разрушение колосьев 18 г) разрыв стеблей 7

3 Удар и сообщение скорости 7

По поводу таблицы М.А. Пустыгина мнение А.Н. Гудкова (и его ученика Скворцова А.К.) такое: трение в подшипниках и перемешивание воздуха — это не вредные сопротивления, а сопутствующие; и можно попытаться их уменьшить. А вот трение от сжатых стеблей, трение от изгиба стеблей, разрушение колосьев, разрыв стеблей не нужны и вредны, как в плане затрат энергии, так и в плане выделения зерна из соломистого вороха. Удар и сообщение скорости трансформируются в деформацию плодоножки и транспортировку продуктов обмолота из молотильного зазора. Эти воздействия и являются собственно & обмолотом. Фактически на обмолот расходуется лишь 7 % от затрат энергии на молотильный аппарат.

Наши выводы из анализа работы М.А. Пустыгина такие: хлебная масса не должна подвергаться сжатию. Кроме того, в плане сохранения листьев и стеблей, необходимо исключить воздействие на листостебельную часть растений чрезмерно больших поперечных ускорений. С целью сохранения листьев и стеблей необходимо исключить переход изгиба стеблей и листьев за критическую величину.

Работа молотильного аппарата «барабан-дека» сопровождается повреждением зерна. Это происходит в результате значительного сжатия хлебной массы (и семян в том числе) и высокой окружной скорости барабана 32.35 м/с. Зерно с макро- и микроповреждениями при хранении подвержено воздействию микроорганизмов и амбарных вредителей и, как семена, проявляет невысокие репродуктивные свойства. Необходимо разработать такой молотильный аппарат, который выдаёт высококачественные семена.

В периодической печати имеются публикации о том, что семена некоторых культур и сортов, обмолоченные в фазе восковой спелости, имеют большую энергию прорастания, лабораторную и полевую всхожесть, дают более высокий урожай зерна и зелёной массы (сорго). В плане культуры сорго, имеющей длительный период вегетации, уборка которой приходится на осень, получение ^ семян на неделю раньше имеет существенное значение. В районе Поволжья можно уверенно получать свои семена не только сверхранних сортов, но и более позднеспелых.

Технология уборки сорго на семена вынуждена предусматривать десикацию — обработку растений боевыми отравляющими веществами. Они воздействуют на растение после всасывания через листья.

Ядовитые вещества заражают растения и почву. Листостебельная часть растений в этом случае непригодна на корм животным. Она непригодна и без обработки ядами, в результате естественного высыхания растений. Листья и стебли становятся жёсткими, грубыми, питательные вещества вымыты росой и выжжены ^ солнцем.

Молотильный аппарат, способный отделять зерно зелёных растений, позволит использовать также незерновую часть на корм, то есть убирать весь наземный биологический урожай в разные ёмкости одним проходом агрегата.

В отношении колосовых культур проблема уборки зерна на пищу, фураж или семена в фазе восковой спелости не так остра, но такая технология позволит растянуть сроки уборки без потерь урожая. Кроме того, солома с зелёных растений — это более мягкий, более качественный корм для животных.

Известно много культур, которые дают высокий урожай зелёной массы, кормовых единиц с 1 га и достаточно богаты протеином. Это - клевер, люцерна, А эспарцет, донник, лядвенец рогатый, тимофеевка луговая, овсяница луговая, ежа сборная, житняк, кострец безостый, райграс высокий, райграс многоукосный, волоснец сибирский, вика мохнатая, сераделла, горец Вейриха, борщевик Сосновского и многие другие. Их называют высокопродуктивными кормовыми культурами. Получение семян этих культур представляет значительные трудности вследствие богатой зелёной массы, которая на семенниках идёт в отходы. Здесь может исправить ситуацию молотильный аппарат, способный обмолачивать растения в широком диапазоне влажности. И в этом случае сбор семян будет осуществляться одновременно со сбором урожая зелёной массы.

Цель работы — разработка ресурсосберегающих технологий и средств ^ механизации уборки зерновых культур на примере сорго и риса с использованием инерционно-очёсных молотильных аппаратов.

Объектами исследования являются технологические процессы и технические средства уборки всего наземного биологического урожая метёлочных культур и растений с иными соцветиями.

Предмет исследования - параметры рабочих органов и режимы работы процесса инерционно-очёсного обмолота, его взаимосвязи в технологических ф схемах зерноуборочных комбайнов.

Методы исследований - системно-структурный анализ технологий и средств механизации уборки зерновых культур, физическое моделирование, математическое моделирование, математическая теория эксперимента, натурный эксперимент.

Научная новизна состоит в разработке:

- инерционно-очёсного способа обмолота в широком диапазоне влажности метёлочных культур и культур с иными соцветиями;

- закономерностей сохранности в процессе обмолота зерна, стеблей, листьев и соцветия;

- модификаций инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств;

- технологических схем зерноуборочных комбайнов;

- в обосновании характеристик инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств.

Новизна технологических и технических решений защищена тремя сольными патентами и тремя — в соавторстве на патентовладельца ВГСХА.

Практическую значимость составляют:

- конструкторские разработки (на основе созданной теории) пяти модификаций инерционно-очёсных МСУ;

- технология уборки всего наземного биологического урожая риса, сахарного сорго, зернового сорго, пшеницы в широком диапазоне влажности;

- технология изготовления веников с использованием инерционно-очёсного МСУ.

Реализация результатов исследований. Технологии уборки всего наземного биологического урожая сахарного сорго агрегатом, состоящим из комбайна «Нива», приспособления для уборки початков кукурузы ППК-4, блока выносных молотильных камер, а также автомобиля-самосвала и трактора МТЗ-80 с тележкой 2ПТС-4М прошла производственную проверку в 1990 году на полях НПО «Саратовсорго».

Селекционная молотилка для сорго эксплуатировалась с 1991 года заведующим Волгоградским филиалом Всероссийского научно-исследовательского института сорго и других зерновых культур (ВНИИ СЗК) Куликовым А.И.

Производственный обмолот 5000 кг метёлок сорго-суданкового гибрида • осуществлён в лаборатории программирования урожая ВГСХА с 11.1992 по 01.1993.

В производстве веников использовались стационарные молотилки в ГУП ОПХ «Волгоградское» с декабря 1993 года по апрель 1997, с октября 2001 по февраль 2002 года и в Волгоградском областном «Агропромэнерго» с октября 1995 по май 1996 года.

Технология уборки веничного сорго комбайном, состоящим из трактора Т-16МГ, прямоточной выносной молотильной камеры (ПВМК), жатки, транспортёра метёлок и тракторной тележки 2ПТС-4М внедрена в ОАО «Червлёное» в 2002 году.

Научно-методические разработки используются в учебном процессе ВГСХА т курсовое, дипломное проектирование, аспирантура) по специальностям «Механизация сельского хозяйства» и «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались с 1990 по 2004 год на ежегодных научно-технических конференциях ВГСХА, международных научно-практических конференциях, заседаниях ученых советов Всероссийского научно-исследовательского института орошаемого земледелия (ВНИИОЗ), Всероссийского научно-исследовательского агролесомелиоративного института (ВНИАЛМИ), на техническом совете ГСКБ Волгоградского экспериментального завода оросительной техники (ВЭЗОТ), на ^ техническом совете Волгоградского филиала Всероссийского научно-исследовательского проектно-технологического института механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИИПТИМЭСХ). Было доложено на научно-производственном совещании ВНИИ СЗК, на научно-производственном совещании НПО «Саратовсорго», техническом совете Волгоградского областного отдела механизации сельского хозяйства, Волгоградской областной «Сельхозтехники», конференциях ассоциации «Большая Волга». ^ Структура и объём диссертации. Диссертация в виде монографии состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы. Отдельно

Общие выводы по диссертации

1. Культуры с соцветием метёлка к началу фазы полной спелости семян содержат влаги в зёрнах 30. .25% и в листостебельной массе - 70.60%.

2. Молотильно-сепарирующие устройства способны обмолачивать метёлочные культуры в широком диапазоне влажности, если эти МСУ соответствуют трём критериям:

1) обмолот в просторном молотильном зазоре;

2) небольшие ударные нагрузки поперек стеблей;

3) соответствие рабочих поверхностей МСУ критическим радиусам изгиба частей растений.

3. Из способов обмолота выбран очёс.

4. В качестве фундамента для строительства теории нового способа обмолота приняты рациональная формула В. П. Горячкина, её анализ М. А. Пустыгиным и теоретические выкладки П. П. Карпуши по захлёстыванию метёлки.

5. Принята физическая модель соцветия как сосредоточенной массы, расположенной на упругой и гибкой консольной балке. Введено понятие «захлёстывание» - вращение массы на уменьшающемся радиусе и раскрыта его роль в рабочем процессе обмолота.

6. Создана теория инерционно-очёсного обмолота. Она состоит из трёх частей: 1) теория сохранения листьев и стеблей в процессе обмолота; 2) теория очёса метёлок; 3) общая теория - оптимизация конструктивных параметров инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств - для обмолота большинства культур.

7. Предложен новый вид очёсных МСУ - инерционно-очёсный, характеризующийся признаками:

- пара синхронных вальцов «-угольного профиля, имеющего выпуклые стороны и скруглённые углы;

- пара синхронных битеров с п лопастями криволинейного профиля выпуклостью наружу, закреплёнными на опоре с наклоном назад; п= 1. .6.

8. Определён состав рабочих органов вальцов: передняя половина грани, углубление (канавка), обмолачивающая кромка, транспортирующая площадка, выступ; определён состав рабочих органов битеров: собственно лопасть, углубление (канавка или щель), обмолачивающая кромка, транспортирующая площадка, (пластина), выступ.

9. Инерционно-очёсный обмолот осуществляется без внедрения рабочих органов внутрь хлебной массы, что исключает обрыв путанины.

10. Удельные энергозатраты на обмолот инерционно-очёсным МСУ находятся в пределах 0,16.0,36 кВт на 1 кг/с подачи хлебной массы, или в 10.30 раз ниже, чем в молотильном аппарате «барабан-дека». Это позволяет значительно уменьшить массу зерноуборочного комбайна, снизить расход топлива на уборку урожая.

11. Обмолот в просторном молотильном зазоре позволяет получать высококачественные семена.

12. Инерционно-очёсные МСУ являются инструментом, позволяющим получить новые результаты в селекции, семеноводстве, создать новые технологии уборки метёлочных культур, колосовых культур и культур с иными соцветиями.

13. Теория инерционно-очёсного обмолота доказана экспериментально и подтверждена хозяйственной проверкой, в том числе и в полевых условиях.

14. Инерционно-очёсные молотильно-сепарирующие устройства способны обмолачивать растения с различными соцветиями в широком диапазоне влажности — до 70% листья и стебли и до 46% зерно, что позволяет обмолачивать культуры в фазах, более ранних, чем фаза полной спелости.

Рекомендации производству

Инерционно-очёсиый обмолот рекомендуется применять в селекции и первичном семеноводстве, семена свободны от повреждений при более ранней фазе спелости, чем полная спелость.

Технологические схемы комбайнов с инерционно-очёсными МСУ рекомендуются для уборки всего биологического урожая зерновых и кормовых культур зерно и листостебельная масса в разные ёмкости одним проходом комбайна.

Рекомендуются следующие параметры инерционно-очёсных МСУ: диаметр битеров — 150 мм, число лопастей 3, радиус кривизны лопасти - 80. 120 мм, радиус кривизны выступа - 10. 15 мм, глубина канавки - 4 мм, ширина канавки - 10. 12 мм, вылет лопасти - 50.57 мм.

Селекционный обмолот рекомендуется проводить на режиме: скорость подачи - 0, 25. .0,50 м/с, скорость обмолота - 9,0. .10,0 м/с.

Уборку урожая метёлочных культур, колосовых и культур с иными соцветиями рекомендуется проводить с подачей от 0,5 до 3,0 м/с, при этом окружная скорость обмолота соответственно выбирается в пределах от 10 до 18 м/с. Выносные молотильные камеры продольно-ручьевые. Ширина захвата комбайна до 12 м позволяет значительно увеличить производительность комбайнов.

1. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий-М.: Наука, 1976.-280 с.

2. Алабушев А.В, и др. Проблемы и перспективы технологии возделывания сорго на зерна и зеленую массу //Кукуруза и сорго. 1996. — № 1. —С. 13-16.

3. Алабушев А.В. и др. Различные способы уборки сахарного сорго. // Кукуруза и сорго. 1996. -№ 6. - С. 12-13.

4. Алабушев А.В. и др. Технология возделывания сорго на зерно, семена, силос. Рекомендации. Зерноград, 1989. - С. 4-7; С. 15-16.

5. Алабушев А.В. К технологии комплексный подход // Кукуруза и сорго. -1993.-№ 1.-С. 6-7.

6. Алабушев А.В. Результаты и перспективы исследований по технологии возделывания сорго: Тез. докл. Российской конференции. Проблемы биологии, селекции и технологии возделывания и переработки сорго. Волгоград, 1992. -С. 74-81.

7. Алабушев А.В. Сорго (селекция, семеноводство, технология, экономика) / А.В. Алабушев, JI.H. Анипенко, Н.Г. Гурский, Н.Я. Коломиец, П.И Костылев, П.А. Мангуш, О.И. Алабушева. Ростов-на-Дону, 2003. - 368 с.

8. Алабушев А.В., Анипенко А.Н. Эффективность производства сорго зернового. Ростов-на-Дону: ЗАО «Книга», 2002. - 192 с.

9. Алабушев А.В., Герасименко Г. П. Сорго культура засушливой степи // Кукуруза и сорго. 1993. № зс. 18-19.

10. Алабушев А.В., Шишкин Н.В., Сарычева Н.И. Новые элементы технологии возделывания сорго. Тез. докл. Российской конференции. Проблемы биологии, селекции и технологии возд. и переработки сорго. Волгоград, 1992. -С. 78-79.

11. Алабушев А.В., Шишкин Н.В., Стешенко А.И. Способы основной обработки почвы при возделывании зернового сорго // Кукуруза и сорго. -1996. -№ 6. С. 15.

12. Алдошин И.Ф., Пиронков М.Ф., Яковлев Л.П. МКС-1М — для зерновых культур. Новые селекционные молотилки // Селекция и семеноводство. — 1980.-№5.-С. 45-46.

13. Алферов С.А., Калошин А.И., Угаров А.Д. Как работает зерноуборочный комбайн. — М.: Машиностроение, 1981. — 192 с.

14. Анисимов В.А., Васин М.П., Шполянский В.Л. Аппарат для обмолота метелок сорго // Кукуруза. 1978. - № 4. - С. 25.

15. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975.- 340 с.

16. Атаманченко Т.М., Мальцев В.А., Ржевский А.И. Сладкий сок для коров // Кукуруза и сорго. 1993. — № 1. — С. 10-11.

17. Ахламов Ю.Д., Михайличенко Б.П., Отрошко С.А., Шевцов А.В. Машина19.