Нетрадиционные рабочие органы для технико-технологической модернизации сельскохозяйственного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

НЕТРАДИЦИОННЫЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ

ДЛЯ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность: 05.20.01 - «Технологии и средства механизации

сельского хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

машина сельскохозяйственный производительность

КУЗЬМИН МСТИСЛАВ ВИТАЛЬЕВИЧ

Москва - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет».

Научный консультант:	доктор технических наук, профессор Авдеев Аркадий Викторович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор, член - корреспондент РАСХН Утков Юрий Андреевич, ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии;
	доктор технических наук, профессор Сорокин Александр Алексеевич, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии;
	доктор технических наук Шпилько Анатолий Васильевич, Россельхозакадемия
Ведущая организация:	Федеральное государственное научное учреждение «Российский научно-исследо-вательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГНУ «Росинформагротех»)

Защита состоится «11» ноября 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.03 при ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха 8, ул. Ю. Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор О. П. Мохова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Ускоренный переход на новые высокопроизводительные и ресурсосберегающие технологии - одна из основных целей, которую определила «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - 2012 годы», подготовленная в соответствии с федеральным законом «О развитии сельского хозяйства» от 29 декабря 2006г. № 264 - ФЗ. В соответствии с этим «Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года», утверждённая приказом Минсельхоза России от 25июня 2007 г. № 342, относит разработку новых высокоэффективных машинных технологий производства сельскохозяйственной продукции и научных основ для создания техники нового поколения к стратегическим концепциям в области механизации.

Основой нового поколения техники являются принципиально новые, более производительные, ресурсо- и природосберегающие, простые и надежные рабочие органы с.-х. техники. Однако разработка и исследование таких рабочих органов существенно затруднена, так как не определены даже их общие формы (типы). В связи с этим проблема научного обоснования общих форм принципиально новых, нетрадиционных рабочих органов, являющихся основой создания нового поколения с.-х. техники, дающей возможность реализовать перспективные технологии, является актуальной.

Работа выполнялась во ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» (г. Балашиха Московской области).

Цель работы. 1. Разработать метод прогнозирования, дающий возможность определять перспективные формы рабочих органов, а также позволяющий доказательно констатировать их работоспособность и выявить преимущества до разработки технических решений (на допатентном уровне).

2. Изыскать и обосновать общие формы перспективных, нетрадиционных рабочих органов сельскохозяйственных машин для технического обеспечения технологической модернизации сельскохозяйственного производства созданием с. - х. техники нового поколения, превосходящей по своим показателям лучшие отечественные и иностранные образцы.

3. Установить предельные законы теории производительности машинно - технологических агрегатов (МТА), на этой основе предложить алгоритм разработки системы повышения эффективности их использования.

Задачи исследований. 1. Развить методологию создания новых технических систем: усовершенствовать эвристические методы; рационализировать прогностический метод оценки инженерно-технической значимости изобретений с учётом особенностей с.-х. производства; разработать метод аналитического прогнозирования, позволяющий определить общие формы перспективных рабочих органов и научно обосновать их работоспособность на допатентном уровне синтеза технических систем; разработать методику аналитического прогнозирования, а также рационализированного метода оценки инженерно - технической значимости изобретений.

2. На основе использования эвристических и прогностических методов предложить усовершенствованные схемы существующих (классических) рабочих органов и основные типы (формы) нетрадиционных высокопроизводительных и более простых по устройству рабочих органов сельскохозяйственных машин для создания с.-х. техники нового поколения, превосходящей по своим показателям лучшие отечественные и иностранные образцы.

Произвести верификацию (проверку) прогностических результатов совокупностью методов.

3. Разработать основы теории разделения зерновых смесей на гибких рабочих органах.

4.Установить предельные законы теории производительности машинно-технологических агрегатов (МТА), на этой основе предложить алгоритм разработки системы повышения эффективности их использования.

5. Определить эффективность проведённых исследований и меры по её повышению.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются рабочие органы сельскохозяйственных машин.

Предметом исследования являются методы порождения нового и прогнозирования, формы нетрадиционных высокопроизводительных рабочих органов сельскохозяйственных машин, а также теоретические основы и методы повышения производительности МТА как основного показателя эффективности их использования.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием системного анализа, случайных Марковских процессов с дискретными состояниями и непрерывным параметром, Булевой алгебры, математической теории отношений, прогнозирования, теоретической и земледельческой механики и эксплуатации машинно-тракторного парка.

При проведении экспериментальных исследований использовались классические методы планирования, проведения опытов и обработки их результатов.

Научную новизну работы составляют:

- метод аналитического прогнозирования на основе математической теории отношений толерантности, позволяющий обоснованно определить новые перспективные (нетрадиционные) работоспособные формы рабочих органов с.-х. машин на допатентном уровне;

- развитый и адаптированный к условиям с. - х. производства метод оценки инженерно - технической значимости изобретений;

- рационализированные эвристические методы порождения нового;

- нетрадиционные перспективные формы рабочих органов: безвальные спирально - винтовые и гибкие с участками обратной кривизны, являющиеся основой создания новой системы машин для с. - х. производства;

- стохастическая модель сепарации при структурно-логическом подходе как Марковского случайного процесса с дискретными состояниями и непрерывным параметром;

- новое направление в сепарации - использование гибких разделяющих поверхностей с участками обратной кривизны, дающих возможность многократного повышения производительности и выполнения сепарирующих рабочих органов (соломосепараторов, решёт и триеров) по единой схеме, а также реализовать новую технологию сепарации зерна с динамическим отделением частиц от разделяющей поверхности;

- общие закономерности сепарации на гибких разделяющих поверхностях с участками обратной кривизны;

- предельные законы теории производительности MTA.

Практическую ценность исследований составляют:

- методика аналитического прогнозирования, а также метода оценки инженерно-технической оценки изобретений, адаптированного к условиям сельскохозяйственного производства;

- рационализированные схемы классических рабочих органов: многофункциональной почвообрабатывающей машины, сепараторов почвы; параметры многофункциональной почвообрабатывающей машины;

- схемы нетрадиционных перспективных рабочих органов с.-х. машин: безвальных спирально - винтовых, гибких с участками обратной кривизны, защищённые тридцатью тремя авторскими свидетельствами СССР;

- верификация прогноза тенденций развития сепараторов зерна, подтверждающая работоспособность и перспективность предлагаемых схем рабочих органов;

- технологические показатели работы и основные параметры сепараторов зерна с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны;

- методика расчета основных параметров сепараторов зерна с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны на основе стохастической модели сепарации при структурно-логическом подходе;

- алгоритм разработки системы повышения эффективности использования МТА, схемы сцепок, уменьшающие нерабочее время смены, защищённые пятью авторскими свидетельствами СССР.

Реализация результатов исследований. Результаты прогнозирования переданы для использования научно - исследовательским организациям - ФГНУ «Росинформагротех» и ОАО «ВИСХОМ». Элементы системы повышения производительности МТА были внедрены в с.-х. производство при оказании научно-производственной помощи ВСХИЗО хозяйствам Балашихинского района Московской области. Результаты прогнозирования и меры по повышению эффективности работы МТА используются сельскохозяйственной консалтинговой компанией ООО «ВИКТОРИЯ».

В учебном процессе сельскохозяйственных вузов используются результаты диссертационной работы, представленные в учебных пособиях по сельскохозяйственным машинам, по курсовому и дипломному проектированию, по эксплуатации МТП и в методических указаниях, изданных на систему с.- х. вузов для студентов-заочников, а также в печатных изданиях, используемых в учебном процессе как дополнительная литература, что подтверждается актами Учебно-методического совета по высшему с.-х. заочному образованию, РГАЗУ и МГАУ им. В. П. Горячкина.

На защиту выносятся положения, перечисленные в рубриках о научной новизне работы и практической ценности исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены: на научных конференциях ВСХИЗО, РГАЗУ с 1970 по 2008 гг.; нa заседании НТС ГСКБ по комплексу машин для послеуборочной обработки зерна (Воронеж, 1972 г.); на II Всесоюзном научно-техническом совещании по послеуборочной обработке и хранению зерна, (Москва, 1973 г.); на научно - технической конференции ЧИМЭСХ (Челябинск, 1974 г.); на заседании координационного совета по проблеме «Разработать технологию и автоматизированные поточные линии для обработки и хранения семенного и продовольственного зерна» (Москва, ВИМ, 1974 г.); на бюро Отделения механизации и электрификации сельского хозяйства ВАСХНИЛ (Москва, 1977 г.); на кафедре сельскохозяйственных машин Воронежского СХИ им. К. Д. Глинки (Воронеж, 1977 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции по современным проблемам земледельческой механики (Мелитополь, 1989 г.); на Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии уборки зерновых культур, риса и семян трав» (Мелитополь, ТГАТА, 2003 г.); на 3-й научно-практической конференции, посвящённой 40-летию ФГНУ «Росинформагротех» (пос. Правдинский Московской области, 2007г.); на международной научно-практической конференции, посвящённой 140-летию со дня рождения В. П. Горячкина «Инновации в области земледельческой механики» (Москва, МГАУ, 2008 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 98 опубликованных печатных работах, в том числе в 38 а. с. СССР.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 387 страниц, 75 рисунков, 22 таблицы, 7 приложений (43 с., 4 табл.). Список использованной литературы содержит 227 наименований, в том числе 21 на иностранном языке.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, указаны источники, на основе которых написана диссертация, охарактеризована её структура.

В первой главе «Проблемы технико-технологической модернизации сельского хозяйства РФ. Цели и задачи исследований» вначале характеризуется производственно-технический потенциал сельского хозяйства, который за годы реформ значительно снизился. Так за 1985 - 2005 гг. число тракторов и зерноуборочных комбайнов уменьшилось примерно в 2, 5 раза. Тракторы используются в среднем 15 - 16 лет при амортизационном сроке не более 10 лет. Уровень энергообеспеченности сельского хозяйства в России составляет около 1,8 кВт/га, в развитых странах - от 3, 5 до 7, 5 кВт/га. Нагрузка на зерноуборочный комбайн больше, чем в развитых странах, в 2 - 5, на тракторы - до16 раз.

Несмотря на это, в России наблюдается положительная динамика в развитии агропромышленного комплекса, реализуется приоритетный национальный проект «Развитие АПК». Для улучшения технической оснащенности сельскохозяйственных предприятий Министерством сельского хозяйства РФ было предпринято ряд мер. В результате покупательная способности с.-х. предприятий существенно повысилась, приобретение с. - х. техники возросло в 2,7 раза, а темпы выбытия техники снизились.

Затем проводится сравнительный анализ технического уровня зарубежной и отечественной сельскохозяйственной техники, в результате которого было установлено, что принципиально новых решений в отечественной и иностранной с.-х. технике немного. Совершенствование машин в настоящее время связано в основном с рационализацией длительное время существующих рабочих органов (РО) и схем с.-х. машин, что ведёт к их усложнению и удорожанию. Причём затраты ресурсов на совершенствование машин увеличиваются, а отдача уменьшается. Такое состояние дел объясняется установленной акад. В.П. Горячкиным общей закономерностью развития любых явлений, которое происходит по S-образной кривой. В развитии любого объекта имеется три стадии: 1 - когда оно набирает темп, 2 - явление (объект) интенсивно развивается, 3 - развитие замедляется. Развитие с.-х. техники по данным многих исследователей находится на третьей стадии. Поэтому необходим прорыв на более высокий уровень - переход к следующему циклу развития. Это вызывает настоятельную необходимость введения в область исследования и конструирования новых форм рабочих органов. Но этот процесс сдерживается отсутствием научно обоснованных методов определения (выбора) перспективных схем рабочих органов. С учётом этого намечаются пути решения проблемы технико-технологической модернизации сельскохозяйственного производства. На основе всего изложенного в конце главы сформулированы цели и задачи исследований, изложенные в соответствующих рубриках раздела «Общая характеристика работы» автореферата.

Во второй главе «Основы методологии выявления перспективных форм рабочих органов технических систем» проведено совершенствование эвристических методов, рационализирован метод оценки инженерно - технической значимости изобретений, разработан метод аналитического прогнозирования.

В разработку теории с.-х. машин, их создание, а также в развитие методов инженерного творчества большое вклад внесли: В. П. Горячкин, Д. Н. Лучинский, В. А. Желиговский, М. Н. Летошнев, И. Ф. Василенко, П. М. Василенко, Х. И. Изаксон, А. Б. Лурье, А. Н. Карпенко, И. П. Терских, М. В. Сабликов, А. Н. Гудков, В. А. Сакун, Н. И. Клёнин, Н. Е. Резник, Г. Д. Петров, Е. С. Босой, Г. Е. Листопад, П. Н. Бурченко, Н. М. Марченко, И. А. Долгов, А. А. Сорокин, В. П. Елизаров, В. И. Анискин, Э. В. Жалнин, А. В. Авдеев, И. М. Панов, Г. Ф. Серый, Ю. А. Утков, Ю. Ф. Лачуга, А. В. Шпилько, М. В. Туаев, Ю. А. Песков, В. П. Гаврилов, Ю. Н. Ярмашев и многие другие.

На основе анализа эвристических приёмов предложена общая стратегия и эвристическая методика изыскания способов воздействия на обрабатываемый материал.

Совершенствование метода оценки инженерно-технической значимости изобретений, предложенного В.Г. Гмошинским, заключается в разработке общей схемы и содержания позиций генеральной определительной таблицы, переводящей качественные признаки изобретения в количественные показатели, применительно к оценке рабочих органов с.-х. машин, а также в анализе ограничивающих производительность факторов и методов интенсификации.

Далее излагается методика рационализированного метода оценки инженерно-технической значимости изобретений (РМОИТЗИ). При этом методе анализируются и оцениваются уже структурно оформленные технические решения. Поэтому конструкторы имеют материал предконструкторского характера; разработчики принципиально новых процессов, способов и устройств таких материалов не имеют, что значительно затрудняет их работу.

Этот процесс может быть значительно ускорен использованием научно- обоснованного прогнозирования перспективных схем рабочих органов (РО), позволяющего доказательно констатировать их работоспособность и выявить преимущества до разработки технических решений (на допатентном уровне). Поставить на научную основу решения этой задачи позволяет наличие основополагающих (фундаментальных) общностей в формах рабочих органов, являющихся (как установил В.П. Горячкин) развитием пространственного трёхгранного клина. С учётом этого даже принципиально новые (нетрадиционные) РО находятся с известными в определенных отношениях, поэтому для решения указанной задачи нами разработан и использован метод аналитического прогнозирования на основе математической теории отношений толерантности.

Толерантность ф элементов X и У (X ф У) определяется условием X У ?Ш. Их комбинации X У, X У, X^-1, У^-1 также будут толерантны. Использование свойств отношений ф даёт возможность аналитически распространять свойства и закономерности функционирования, например, работающего прототипа X на формы толерантных ему схем рабочих органов У. Пусть имеется соответствие ц элементов X_i множества М множеству L закономерностей F(X_i) их функционирования (ц:M>L). Отношению X_iф_цУ_i на М соответствует F(X_i) F(У_i) ? 0 на L. Если соответствие ц:М>L является функциональным, то отношение ф_ц транзитивно, так как Х_iф_цУ_i равносильно F(X_i) = F(Y_i).

Из этого следует, что при последовательном преобразовании элементов

У_i X_iф_цУ_i ,У_iф_ц Z_i F(X_i) = F() = F(Z_i ) (1)

Любой объект X характеризуется набором параметров x_i (свойств, закономерностей воздействия на обрабатываемый материал, показателей качества работы и др.) - X (x₁, x₂,…, x_i, x_n), который обычно именуют кортёжем.

Тогда толерантность рабочих органов X и У (X ф У) определяется условием, что пересечение их кортежей не пусто:

(x₁,… x_n) (y₁,… y_n) ? 0… (2)

Следовательно, параметры толерантных РО, входящие в пересечение (2), эквивалентны (х_i ? y_i, x_j ? y_j и т.д.) в пространстве толерантности Мф, где Х М, У М, ф - признак толерантности.

Условие (1) можно представить в виде

(Н_х, Э_х) (Э_у, П_у) ? 0, (3)

где Н_х, Э_х, Э_у, П_у - подмножества функционально определенных закономерностей (характеристик) прототипа Х(Н_х, Э_х) и нового РО У(Э_у, П_у);

Э_х, Э_у - эквивалентные подмножества характеристик прототипа и нового РО, (Э_х?Э_у), образующие пересечение;

Н_х, П_у - не входящие в пересечение (3) характеристики, содержащие недостатки прототипа (Н_у) и преимущества прогнозируемого объекта (П_у).

Методика основанного на этих положениях аналитического прогнозирования содержит следующие этапы:

1. Выделение группы рабочих органов (РО) Х_i на основе фундаментальных общностей ф, образующих множество М (Х_iM), то есть образование пространства толерантности Мф, где ф - отношение толерантности.

2. Анализ параметров выделенных рабочих органов с.-х. машин (свойств, закономерностей функционирования и ограничивающих факторов, препятствующих интенсификации) на основе опубликованных работ, отчетов по НИР, ОКР и др.

3. Выделение из Мф анализом подпространства нетолерантности форм рабочих органов, реализующих интенсификацию рабочего процесса и повышающих их показатели.

Базой прогноза являются любые объективные и достоверные источники информации. Время основания прогноза и упреждающий период не ограничены. Прогнозирование может осуществляться тремя методами: с использованием n - мерных симплексов (графов), прототипов, на основе теоремы Кальмара - Якубович.

Первый метод. При расположении в вершинах графа известных устройств Х₁, Х₂, … можно прогнозировать новые технические объекты, расположенные на рёбрах графа и толерантные Х₁, Х₂, Х₃… Они будут объединять свойства элементов Х₁, Х₂, Х₃ …:(Х₁₂, Х₂₃, Х₃₁,…).

Второй метод. При наличии группы известных рабочих органов , входящих в пространство Mф, на основе отношения толерантности прогнозируются общие формы новых рабочих органов Х₁, Х₂ ,…, толерантных , и доказательно констатируется их работоспособность.

При использовании теоремы Кальмара - Якубович соответствие должно задаваться функциональной зависимостью. Если образ X в L есть однозначная функция F(X), то отношение транзитивно, так как при и соответствие определяет и . Тогда , и имеет место соотношение . Отсюда следует, что всюду определенное соответствие порождает в множестве М симметричное и рефлексивное соответствие - отношение толерантности. При использовании теоремы Кальмара - Якубович на основании всюду определенного соответствия появляется возможность по закономерностям, действующим в L, определить формы толерантных рабочих органов в множестве М, на которые не действуют ограничивающие факторы.

В связи с тем, что в результате прогнозирования определяются общие формы РО, а не технические решения по определенным РО, мы не определяем их параметры, которые будут аналогичны прототипам и должны быть уточнены теоретически и экспериментально.

Так как общие формы не подлежат защите охранными документами, то полученные результаты прогнозирования могут использоваться другими лицами и организациями для создания технических решений с последующей защитой созданной ими интеллектуальной собственности.

Рис. 1. Схема работы машины МПР т = I,8I г/см³; горизонт 10…15см, т = I,8I г/см³; после обработки машиной МПР - горизонт 0...10 cм, т = I,46 г/см³, горизонт 10...15 см, т = I,49 г/см³

В главе 3 «Результаты использования эвристических методов и рационализированного метода оценки инженерно - технической значимости изобретений» представлены результаты исследования многофункциональной почвообрабатывающей роторной машины (МПР), усовершенствованные схемы сепараторов почвы. Указанным методом прогнозирования определён уровень перспективности гибких сепарирующих рабочих органов. При разработке почвообрабатывающей машины с использованием эвристических методов была реализована идея профессора А. Н. Гудкова о желательности использования в обработке почвы деформаций растяжения. Для реализации такого воздействия была применена следующая схема работы машины МПР (рис.1): пласт почвы подрезается лемехом 1 над которым установлен ротор 2, с пальцами 3. Под лемехом может быть установлен второй ротор 4 с пальцами 5. Роторы вращаются как показано на рис. 1. Степень рыхления почвы находилась по методу Н.А.Качинского определением плотности почвы т до и после её обработки: до обработки - горизонт 0...10 см, и менее в зависимости от режимов работы. Экспериментальный образец МПР - 1,4 шириной захвата 1,4 метра (рис. 2) агрегатировался с трактором касса 1,4 (МТЗ-80) и за один проход производил основную обработку и подготовку почвы под посев. Энергетическая оценка работы почвообрабатывающей машины МПР-1,4 приведена в таблице 1.

а)

Рис.2. Общий вид экспериментальной установки МПР-1,4: а) вид спереди; б) вид сзади: 1 - рама, 2 - опорные колеса, 3 - лемех, 4 - нижний ротор, 5 - верхний ротор, 6 - пальцы нижнего ротора, 7 - пальцы верхнего ротора

Таблица 1

Энергетическая оценка МПР - 1,4

Показатели	Один нижний ротор, передача первая	Ротор над ротором, передача первая	Ротор над ротором, передача вторая
1	2	3	4
Тяговое сопротивление, кН	12,02	13,99	14,75
Мощность на ВОМ трактора, кВт	1,59	3,5	4,63
Частота вращения ВОМ трактора, мин-1	609	609	609
Производительность агрегата, га /ч	0,3	0,27	0,44
Удельное сопротивление, кН/м	8,59	9,99	10,54
Удельное сопротивление, кН/м2	47,7	55,5	58,5
Удельная работа, кВт-ч/га	46,92	65,83	67,87

Как видно из таблицы 1, удельное сопротивление машины колебалось в пределах от 47,7 до 58,5 кН/м², что сравнимо с сопротивлением плугов на данном типе почвы (К_п = 55кН/м²). С учётом этого её энергоёмкость при выполнении двух операций сравнима с энергоемкостью вспашки четырёхкорпусным плугом. Области применения МПР: основная и предпосевная обработка почвы за один проход, рыхление почвы, рыхление почвы с уничтожением высокорослых сорняков, с разрушением почвенных комков, с разрушением поверхностной корки, без разрушения поверхностного слоя (при снятом верхнем роторе), выкапывание корне - и клубнеплодов с рыхлением почвы перед подачей в уборочную машину, уничтожение высокорослых сорняков. Таким образом, появляется возможность реализовать 8 схем обработки почвы за счёт регулировок и изменения режимов работы.

С использованием эвристических методов предложены схемы сепараторов картофелеуборочных машин, которые дают возможность интенсифицировать этот процесс уменьшением слоя почвы на них. Уменьшение слоя почвы на сепарирующих рабочих органах дополнительно к просеиванию через сепарирующую поверхность предлагается реализовать постепенным увеличением её скорости по мере продвижения по сепарирующей поверхности. При использовании битерных (барабанных) сепарирующих рабочих органов одинакового диаметра каждому последующему битеру (планчатому барабану) необходимо сообщить всё увеличивающуюся угловую скорость: щ₁ ‹ щ₂ ‹ щ₃ ‹ щ₄,… Этот же эффект может быть получен при равенстве угловых скоростей щ битеров (планчатых барабанов) роторного сепаратора за счет последовательного увеличения радиуса барабанов (рис.3).

Рис. 3. Роторный сепаратор почвы с планчатыми барабанами разного диаметра:1, 2, 3,… - планчатые барабаны, по стрелке П - подача массы

Окружная скорость барабанов при этом будет увеличиваться пропорционально увеличению их радиусов. Уменьшение слоя почвы дополнительно к просеиванию может быть получено применением грохота, набранного из элементов, совершающих всё увеличивающиеся по амплитуде и скорости колебания от начала к концу сепаратора. Схема грохотного сепаратора почвы представлена в диссертации.

Уровень перспективности сепараторов зерна (выделителей зерна из соломы, решёт и триеров) был определён рационализированным методом оценки инженерно - технической значимости изобретений (РМОИТЗИ).

По выделителям зерна из соломы конкурирующие группы патентных решений имеют следующие обобщённые коэффициенты полноты (уровни перспективности): клавишные - 0,404 (средний), инерционно-пневматические - 0,586 (выше среднего), роторные- 0,332 (низший), шнековые роторные - 0,466 (средний), с неподвижной решёткой - 0,522 (средний), с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны - 0,812 (высший), молотильно - сепарирующие устройства - 0,464(средний).

Конкурирующие патентные решения по решётам имеют следующие обобщённые коэффициенты полноты (уровни перспективности): плоские решёта - 0,338 (средний), цилиндрические решёта - 0,491 (средний), конические решёта - 0,441 (средний), решёта с активными элементами (роликовые) - 0,353 (низший), решёта транспортёрного типа - 0,419 (средний), решёта с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны - 0,812 (высший).

По триерам конкурирующие группы патентных решений имеют следующие обобщённые коэффициенты полноты (уровни перспективности): триеры с жёстким цилиндром - 0,383 (средний), планетарно - центробежные триеры - 0,578 (средний), триеры с эластичным полотном, работающие по принципу устройств с жёстким цилиндром - 0,383 (средний), пневмо-механические триеры - 0,522 (средний), триеры с эластичной ячеистой лентой и наружным расположением ячеек - 0,586 (выше среднего), триеры с облегающим полотном - 0,586 (выше среднего), цилиндрические триеры с эластичной ячеистой лентой и участком обратной кривизны - 0,7 (выше среднего), электротриеры - 0,639 (выше среднего). Эти данные по обобщенному коэффициенту полноты изобретений для рассматриваемых конкурирующих групп патентных решений позволяют сделать вывод о перспективности сепарирующих рабочих органов с гибкой разделяющей поверхностью и участком обратной кривизны.

В четвёртой главе «Нетрадиционные рабочие органы (результаты аналитического прогнозирования)» представлены результаты аналитического прогнозирования рабочих органов сельскохозяйственных машин. Наиболее общей формой рабочих органов в пространстве трех измерений, как отмечает В. П. Горячкин, является винтовая поверхность. Поэтому за отношение толерантности было принято следующее: иметь винтовую рабочую поверхность - ф₁ . Множеством М₁ исследованных и широко применяемых рабочих органов с отношением ф₁ являются шнековые рабочие органы, которые были приняты за прототипы. Их недостатки общеизвестны. Устранение этих недостатков достигается изъятием вала, в результате чего получаются безвальные спирально- винтовые рабочие органы (БСВ РО). В связи с этим БСВ РО имеют со шнековыми в М₁ф₁ эквивалентные закономерности функционирования и могут применяться для выполнения тех же рабочих процессов: обработки почвы, срезания растений, обмолота и сепарации зерновых, прессования, транспортирования материалов. Но они имеют существенные преимущества, так как не имеют вала, ограничивающего их заглубление в почву, материал может перемещаться внутри витков спирали, в зазоре между БСВ поверхностью и кожухом происходит разрушение материала и выделение (например, зёрен) через отверстия кожуха. Возможность деформироваться вдоль оси БСВ РО позволяет усилить разрушающее воздействие за счет колебаний витков, а поперек неё - получать гибкий транспортёр. Результаты прогнозирования в представлены в таблице 2.

Таблица 2

Безвальные спирально - винтовые (БСВ) рабочие органы

Формы БСВ РО	Преимущества
1	2
Почвообрабатывающие машины (плуги, комбинированные агрегаты и др.)
БСВ цилиндр с приводом от ВОМ трактора, расположенный под к продольной оси МТА. 0 90	Уменьшение длины машины и Ркр за счёт привода от ВОМ, улучшение и регулирование крошения почвы
Режущие аппараты
Подвижный (вращающийся) БСВ нож с неподвижными пальцами. Вращающийся БСВ нож внутри, или снаружи неподвижного или подвижного БСВ ножа	Отсутствие знакопеременных сил инерции и забивания, возможность копирования микрорельефа почвы, распределённая нагрузка резания, работа на скорости МТА до 20 км/ч.
Молотильно-сепарирующие устройства (МСУ)
БСВ МСУ с коническим домолачивающим барабаном в конце спирали. БСВ МСУ различной формы внутри концентрично расположенного решета. БСВ МСУ, расположенное вдоль продольной оси машины или перпендикулярно к ней. БСВ МСУ с измельчителем соломы или БСВ с прессом в конце молотилки. БСВ соломосепараторы	Совмещение обмолота и сепарации с перемещением материала. Возможность совмещения с воздушной очисткой. Отсутствие забивания. Возможность увеличения пути и време- ни воздействия на элементы вороха при ограниченных габаритах. Повышение пропускной способности. Упрощение устройства, уменьшение его массы, упрощение регулировок. Упрощение автоматизации
Валкооборачиватели
БСВ цилиндр или усечённый конус	Возможность заменить шнековый оборачиватель валка
Прессы
БСВ цилиндр или усечённый конус с переменным шагом витков	Прессование соломы на выходе из МСУ. Возможность изменять плотность тюка и его длину
Транспортирующие элементы
БСВ транспортёры сыпучих материалов(применяются), загрузчики сеялок, навозотранспортёры, транспортёры комбайнов и с. - х. машин	Увеличение производительности, совмещение транспортирования с технологическими операциями. Изгибание в поперечном направлении.

Основные ориентировочные параметры БСВ РО приведены в диссертации, примеры выполнения БСВ РО - на рис. 4 и 5.



а) б)

Рис.4. Схемы БСВ рабочих органов: а) почвообрабатывающий агрегат: 1 - БСВ рыхлитель, 2 - шнековый или БСВ рыхлитель выравниватель, 3 - кольца или диски крепления концов БСВ рыхлителя, 4 - рама; б) режущий аппарат:1- БСВ нож, 2 - неподвижные пальцы, 3 - пальцевый брус (может быть гибким)

Соломосепаратор содержит БСВ выделитель мелкого вороха, кольца крепления концов спирали, шнековый или струйный отделители соломы от спирали (а. с. СССР №578121, №858951).

Схемы БСВ МСУ представлены на рис. 5.

а) б)

Рис. 5. Схемы БСВ МСУ: а) МСУ с коническим барабаном: 1 - БСВ транспортёр для предварительного обмолота и передвижения вороха к барабану, 2 - конический барабан (может быть установлено молотильное устройство любого типа), 3 - подбарабанье, 4 - цилиндрическое решето;б) БСВ МСУ с подачей обмолачиваемой массы через коническую часть спирали: 1 - БСВ цилиндрический обмолачивающий сепарирующий и транспортирующий РО, 2 - дека-решето, 3 - наружный кожух, 4 - кольцо со спиралью, закреплённой передним концом на его внутренней поверхности, 5 - опорные ролики, 6 - кольцо крепления конца БСВ РО; - поступление зерносоломистой массы в МСУ, о> - движение зерна и сбоины, - соломы

Работами многих исследователей (В. П. Горячкин, М. Н. Летошнев, П. М. Василенко, С. .М. Григорьев, М.В. Киреев и др.) установлено, что интенсифицировать сепарацию зерна целесообразно использованием центробежных сил инерции, которые возникают в цилиндрических (и в виде других тел вращения) сепараторах. Но до сих пор не удалось преодолеть их основного недостатка: при показателе кинематического режима К = r²/g 1 (где r - радиус цилиндра, - его угловая скорость, g - ускорение силы тяжести) усиливается забивание отверстий решёт, а в триерах зёрна не выпадают из ячеек. Применение разных методов уменьшения этих недостатков не дало существенного эффекта.

По теореме Л. Кальмара - С. Якубович произвольное отношение толерантности на М можно задать как отношение А с помощью некоторого всюду определенного соответствия : МL. В данном случае таким соответствием будет наличие центробежных сил P = mr². Это соответствие задаёт отношение толерантности ₂ - разделяющие поверхности выполнены в виде тел вращения, в частности цилиндров или конусов.

В существующих жёстких рабочих органах эти силы инерции являются также и ограничивающими факторами. Поэтому целесообразно устранить указанные недостатки за счет изменения геометрии разделяющей поверхности: так перемена направления действия центробежных сил достигается изменением знака радиуса кривизны на определенной дуге. Это предполагает использование не всюду выпуклых гибких поверхностей, имеющих участки обратной кривизны (УОК).

Создать УОК можно двумя способами: деформацией направляющей окружности и поворотом образующей. В первом случае получаем цилиндрическую поверхность 1 с участком обратной кривизны 2 (рис.6, а), во втором - одностороннюю поверхность - лист Мёбиуса (рис.6, б).

.

а) б)

Рис.6. Гибкие разделяющие поверхности с участками обратной кривизны:

а) цилиндрическая (а. с. СССР № 205418 и др.); б) лист Мёбиуса (а. с. СССР № 493257). Список а. с. СССР, входящих в банк данных по гибким РО, приведён в приложении 5 к диссертации

У гибкой цилиндрической поверхности образовать УОК можно, например нажимным валиком 3. При недостаточной жесткости поверхности 1 по длине её необходимо вложить в жёсткий цилиндр (сплошной, с отверстиями, набранный из стержней), к которому её нужно прижать, например роликами 5. Рама, крепление валика 3, привод и другие элементы не показаны. При работе гибкая поверхность вращается вместе с жёстким цилиндром 4. Движение компонентов смеси указано стрелками: М - загрузка смеси, М_п, М_с - выделение проходовой и сходовой фракций, М_и - инерционное выделение на УОК. Сепараторы по схеме (рис.6, б) мы не исследовали.

Прогнозированием на основе математической теории отношений толерантности (аналитическим прогнозированием) с использованием графов были определены сепарирующие рабочие органы, интенсифицирующие выделение клубней из почвы, совмещающие преимущества пруткового элеватора и пальчатой горки, пальчатой горки и роторного пруткового битера, роторного пруткового битера и пруткового элеватора. Два последних вида сепарирующих рабочих органов выталкивают клубни вверх из слоя почвы на элеваторе пальчатыми транспортерами и битерами, расположенными под верхней ветвью пруткового элеватора (внутри его контура).

В главе 5 «Теоретические основы интенсификации сепарации зерна на гибких разделяющих поверхностях» разработаны стохастическая модель процесса сепарации на основе структурно - логического подхода и основы теории сепарации зерна на гибких разделяющих поверхностях. При стохастическом подходе за состояния системы принимаются логически возможные положения частицы: в слое смеси - 1, на разделяющей поверхности - 2, в её отверстиях (ячейках) - 3, выделение проходом - 4. Сепарация рассматривается как случайный Марковский процесс с дискретными состояниями и непрерывным параметром и описывается системой дифференциальных уравнений Колмогорова (соответственно прямой и обратной)

, (4)

где - матрица производных от переходных вероятностей,

- матрица переходных вероятностей по параметру t,

- матрица инфинитезимальных параметров.

В развернутом виде матрица имеет вид

. (5)

В явном виде система принимает вид

(6)

При . Реальный процесс осуществляется при до значения

, (7)

где - полнота выделения, определяемая агротехническими условиями. Для таких процессов интенсификация заключается в исключении обратных переходов: . С учетом этого система (6) запишется в виде

(8)

Для работы сепарирующего устройства в установившемся режиме необходимо выполнение условий . При этих условиях решение системы уравнений (8) имеет следующий вид:

Р₁₁ = е-^лt, Р₁₂ = лtе-^лt, Р₁₃ = л²t²е-^лt /2. (9)

С учётом того, что Р₁₁ + Р₁₂ + Р₁₃+ Р₁₄ =1, Р₁₄ = 1 - Р₁₁ - Р₁₂ - Р₁₃.

При этом вероятность частице попасть в поглощающее состояние

. (10)

Интенсивность выделения

. (11)

На рис. 7 представлены результаты расчета по (10) на ЭВМ при интерпретации параметра как длины L рабочего органа, Построение графика L=f(Q) на основе графика Р₁₄=f(L) дали возможность графо - аналитическим методом определить длину ячеистой ленты соответственно при = 0,9999…0,999, необходимую для получения удельной производительности овсюжного триера (рис. 8).

Методика расчета длины сепарирующей поверхности приведена в диссертации.

Рис.7. Графики функции P = f(L) при различном значении , 1/м (Q, кг/м²ч):1-14,10 (5400), 2-12,55 (4800), 3-10,55 (4200), 4-9,40 (3600), 5-7,85 (3000), 6-5,25 (2400), 7-4,70 (1800), 8-3,13 (1200), 9-1,57 (600)

Далее изложены основы теории сепарации на гибких разделяющих поверхностях с участками обратной кривизны. Для описания движения частиц на участке постоянного радиуса кривизны r гибкой разделяющей поверхности с учётом отношения толерантности могут использоваться зависимости, полученные для жёстоких разделяющих цилиндрических поверхностей М. Н. Летошневым, П. М. Василенко, Б. Г. Турбиным, С. М. Григорьевым, и другими. П. М. Василенко было получено общее решение системы уравнений Эйлера, на основе которого им было выведено уравнение движения материальной частицы по жёстокой цилиндрической поверхности при Ш = 0,, где - угловая координата частиц. На основе общего решения системы уравнений Эйлера нами было получено частное решение для подачи материала в сепаратор при c начальной скоростью , где , , - угловая скорость поверхности,

, (12)

где - угловая координата частицы, ц - угол трения, f - коэффициент тре- ния зерна по решету, е = аrc tg 2f.

Уравнение (12) описывает движение частицы при . Из (12), полагая , мы определили значения и , при которых прекратится относительное движение частицы по цилиндру:

. (13)

Участок гибкой разделяющей поверхности 1, набегающий на нажимной валик 2, в общем случае состоит из четырёх частей (рис. 9, а): BC (),

СД (), ДЕ (), EF (), где с - радиус кривизны участка. Частные случаи: участок EF отсутствует, при переход через валик 2 поверхность 1 имеет ; имеется участок ВС (), затем следуют

участки ДЕ () и EF (); имеется два участка (рис.9,б): ДВ() и ДF(). Зёрна при отделении от разделяющей поверхности будут двигаться как тело, брошенное под углом к горизонту. Теоретически установлено, что траектория зёрен не зависит от их свойств, поэтому будет чёткой и небольшой ширины. Рис. 9. Схема участков гибкой поверхности 1, На участках, имеющих набегающей на нажимной валик 2 обратную кривизну,

создаются условия для выделения частиц, застрявших в отверстиях разделяющей поверхности. Такой участок может состоять из одной зоны ДД₁ (рис.10,а), у которой , , или из зон ДЕ (), ЕЕ₁ () и Д₁Е₁ (), (рис.10, б).

Выделение застрявшей частицы из отверстия возможно при условии ,(14) где в - угол между G и N_пр, ., где F - сила, нормальная к кромкам отверстия, f - коэффициент трения.

Для установления путей интенсификации этого процесса условие (14) выделения частицы из отверстия целесообразно представить так:

, (15) где .

В главе 6 « Верификация результатов прогнозирования» вначале излагается программа и методика экспериментальных исследований. Основной целью экспериментальных исследований является верификация прогноза о перспективности сепарирующих рабочих органов единой схемы для выделителей зерна из соломы, решёт и триеров с гибкой разделяющей поверхностью, полученного двумя методами (аналитическим прогнозированием и РМОИТЗИ).

Программой были предусмотрены следующие исследования:

- проверка результатов прогнозирования, теоретических положений по сепарации на гибких разделяющих поверхностях, определение основных размеров рабочего органа;

-выявление характера движения зерновой смеси внутри сепарирующего цилиндра;

- определение основных показателей, характеризующих производительность и качество разделения зерновой смеси;

- определение энергоёмкости исследуемых рабочих органов.

При проведении исследований были получены следующие зависимости:

где - чистота выхода основной фракции,

q - удельная подача смеси на сепарирующую поверхность,

- коэффициент воздействия щёточного отражателя триера,

е - полнота выделения ценной фракции,

Q - удельная производительность по выходу основной фракции,

Е - эффективность разделения по Ньютонам.

Указанные зависимости были получены при различных режимах работы сепараторов, определяемых эквивалентными показателями: х - окружная скорость разделяющей поверхности, n - частота её вращения, К - показатель кинематического режима. Решето исследовалось при х = 4; 5; 6 м/с, триеры - при n = 60; 100;140 мин -¹.

Экспериментальные исследования по этой тематике велись на кафедре сельскохозяйственных машин ВСХИЗО, на опорном пункте ГСКБ ПО «Воронежзерномаш» (в настоящее время ОАО ГСКБ «Зерноочистка»), дополнительно к этому макетный образец триера исследовался в соответствии с планом НИР указанного ГСКБ по их методике. Результаты кино - и фотосъемки выделения зёрен в основном подтвердили положения теории и принятые допущения. При экспериментальных исследованиях решета с гибкой разделяющей поверхностью диаметром 600 мм и длиной 1 м была получена удельная производительность Q более 5 т/м²ч при чистоте зерна в ? 0,99 (рис.11), что превышает таковую плоских решёт в 1,5 - 3 раза.

Рис. 11. Нагрузочные характеристики решета с гибкой разделяющей поверхностью при х = 5 м/с, (n = 159 мин ^-1)

Затраты мощности на работу гибкого решета представлены на рис. 12.Они в 2, 5 - 2, 8 раза меньше, чем у плоскорешётных зерноочистительных машин.



Рис.12.Поверхностьотклика функции N =f (q,х), где N -мощность, q - удельная подача, х - скорость решета: 1 - общие затраты мощности на работу решета, 2 - затраты мощности на технологический процесс сепарации

Удельная производительность триера с гравитационной загрузкой смеси достигает 4,8 т/м²ч (рис. 13), кукольного со шнековой - 2,3 т/м²ч при К=6,6.

Рис.13. Нагрузочные характеристики овсюжного триера при показателях кинематического режима: 1 - К=1,2; 2 - К=3,35; 3 - К=6,6 (засоренность 2,5%)

При испытании нами макетного образца УТ-10000 в ГСКБ ПО Воронежзерномаш» на очистке пшеницы «Мироновская-808» достигнута максимальная производительность овсюжного триера Q = 5,2 т/м²ч при чистоте 99,4%, кукольного триера со шнековым загрузочным устройством - Q = 6,1 т/м²ч при чистоте 97,8%. По данным ГСКБ ПО «Воронежзерномаш» удельная производительность овсюжного триера достигает 5,2 т/м²ч, кукольного - 4, 73 т/м²ч при чистоте зерна 0,994 и 0,99 соответственно.

Экстраполяция зависимостей Q=f(К) рисунка 12 представлена на рис. 14. Аналитическая экстраполяция зависимостей Q=f(К)) показывает, что удельная производительность триеров с сосредоточенной гравитационной загрузкой имеет горизонтальную асимптоту Q =12,5 т/м²ч.

Рис. 14. Зависимости Q=f(К) для овсюжного триера: 1 - удельная производительность по выходу Q, соответствующая концу линейной зависимости междуQ и q, 2 -максимальная удельная производительность по выходу

При анализе энергоёмкости скоростных триеров следует учитывать, что энергоёмкость технологического процесса (без учёта холостого хода) характеризует их рабочий процесс, а энергоёмкость холостого хода N_хх - совершенство конструкции. В связи с тем, что конструктивно они ещё недостаточно отработаны, N_хх будет уменьшаться при совершенствовании конструктивного оформления. Зависимости N= f(Q) для триеров приведены на рис. 15, где [Q] = т/м²ч.

Рис. 15. Зависимости N= f(Q) для триера: 1, 2 - N на технологический процесс кукольного триера со шнековым и лотковым загрузочным устройством

Особенностью скоростных триеров с гибкой ячеистой лентой является уменьшение N_тп с увеличением удельной производительности. У овсюжного триера с лотковой загрузкой N_тп = 0,31 кВт-ч/т при Q = 2 т/м²ч, N_тп = 0,201 кВт-ч/т при Q = 3 т/м²ч, N_тп = 0,146 кВт-ч/т при Q = 4,5 т/м²ч. Его полная энергоёмкость соответственно составляет 0,47; 0,377 и 0,315 кВт-ч/т .

Результаты экспериментов дают возможность установить следующие общие положения:

- сепараторы с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны работоспособны при значениях показателя кинематического режима К>>1;

- зона выделения на участке обратной кривизны чёткая, отделение частиц происходит в месте перегиба разделяющей поверхности и не зависит от физико-механических свойств частиц;

- гибкая разделяющая поверхность с участками обратной кривизны является самоочищающейся;

- экспериментально полученная удельная производительность решета и триера значительно превышает таковую существующих рабочих органов.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований подтвердили прогноз о перспективности сепараторов зерновых смесей с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны. Они являются абсолютной верификацией результатов, полученных аналитическим прогнозированием и рационализированным методом оценки инженерно-технической значимости изобретений (РМОИТЗИ) относительно указанных рабочих органов.

Совпадение результатов прогнозирования о перспективности безвальных спирально - винтовых (БСВ) и гибких рабочих органов с участками обратной кривизны, проведённое двумя методами: РМОИТЗИ и аналитическим прогнозированием на основе математической теории отношений толерантности,- является относительной верификацией прогностических результатов, подтверждающей их правильность.

Дополнительно к этому данные экспериментов повышают уровень обоснованности аналитического прогнозирования применительно к безвальным спирально-винтовым рабочим органам. Мониторинг тенденций развития БСВ рабочих органов также повышает обоснованность результатов аналитического прогнозирования применительно к ним.

...