Разработка ресурсосберегающих процессов очистки и обмолота початков семенной кукурузы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Разработка ресурсосберегающих процессов очистки и обмолота початков семенной кукурузы

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Петунина И.А.

Краснодар - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (КубГАУ)

Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Маслов Геннадий Георгиевич

Официальные оппоненты: академик РАСХН,

доктор технических наук, профессор

Липкович Эдуард Иосифович

доктор технических наук, профессор

Жалнин Эдуард Викторович

доктор технических наук, профессор

Плешаков Вадим Николаевич

Ведущая организация - ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ГНУ ВНИПТиМЭСХ), г. Зерноград.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. К настоящему времени производство кукурузы занимает практически первое место в мире среди зерновых, превышая валовые сборы зерна пшеницы и риса. Общая потребность России в семенах кукурузы составляет 80?100 тыс. тонн (из них на зерно 10?12 тыс. т) и отечественными производителями не обеспечивается из-за сложившегося низкого уровня технического оснащения.

В технологиях послеуборочной обработки кукурузы ключевыми являются процессы очистки и обмолота початков. На сегодняшний день не существует машины, обеспечивающей съем оберток с початков кукурузы с полным соблюдением исходных требований. А в Российской Федерации отсутствует производство очистителей початков и не предложены технические решения для обработки малых партий. Для различных моделей молотилок семенной кукурузы характерны: необходимость заполнения всего объема молотильной камеры; повторный обмолот початков; низкая производительность; частичная разборка для очистки рабочей камеры. Поэтому современные молотильные аппараты также не обеспечивают получение семенного материала, отвечающего в полной мере исходным требованиям.

Обобщенный анализ состояния вопроса совершенствования послеуборочной обработки початков семенной кукурузы позволил сформулировать научную проблему, которая состоит в разработке принципиально новых ресурсосберегающих технических решений для процессов очистки и обмолота початков кукурузы, максимально учитывающих их особенности и специфику съема оберток и выделения зерновок в процессе непрерывного контакта с рабочими органами, опирающихся на более глубокое исследование некоторых физико-механических свойств початков.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы и тематического плана НИР Министерства сельского хозяйства. Исследования включены в планы НИР Кубанского государственного аграрного университета: на 1991?1995 гг. по теме 29.6 ГР01910049840, на 1996?2000 гг. по теме 8 ГР 01960009007, на 2001?2005 гг. по теме 11 ГР 01200113467 и на 2006?2010 гг. по теме ГР 01.2006 06833.

Цель исследований - обоснование параметров и ресурсосберегающих режимов работы трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков семенной кукурузы.

Объекты исследований - процессы очистки и обмолота початков кукурузы; рабочие органы, макетные и экспериментальные образцы разрабатываемых технических средств.

Предмет исследований - выявление закономерностей влияния конструктивных, кинематических и динамических параметров на технологические процессы очистки от оберток и обмолота початков кукурузы.

Методика исследований. Методологической основой решения сформулированной проблемы является вариант триадной системы, в которой продукт и машина рассматриваются на одном уровне и при одновременном взаимном влиянии друг на друга.

При решении вопросов взаимодействия рабочих органов как початкоочистителя, так и молотилки с початками приняты основные положения классической теории деформации тел в местах контакта.

Теоретическое решение вопросов процессов очистки и обмолота початков выполнено с использованием основных положений теории упругости и специальных разделов теории дифференциального и интегрального исчисления, графо-аналитических методов.

Физико-механические свойства початков кукурузы исследовались с использованием общих, а также частных теоретических и прикладных методик.

При выполнении экспериментальных работ применен метод математического планирования многофакторного эксперимента. Аппроксимация и обработка экспериментальных данных выполнены с использованием пакета прикладных компьютерных программ.

Оценку технического уровня разрабатываемых аппаратов выполняли путем сопоставления системы параметров с промышленными аналогами по обобщенным технико-экономическим показателям, а также при помощи интегральных показателей.

Научная новизна результатов исследования заключается в уточнении теоретико-экспериментальных и методологических аспектов процессов очистки и обмолота початков кукурузы вальцовыми аппаратами и установлении аналитических зависимостей:

? деформации слоя оберток и усилий разрыва и отделения оберток при съеме пакетом с початка от действия распределенных сил и параметров початков и рабочих органов и величин их деформаций;

? деформации слоя зерновок и усилий разрушения связи зерновок со стержнем початка от действия распределенных сил;

? углов затягивания в трехвальцовом аппарате неочищенного початка и початка со снятыми обертками от геометрических параметров и деформаций початка и рабочих органов;

? величины зазора в трехвальцовых аппаратах для очистки и обмолота початков кукурузы от величины деформации пакета оберток и слоя зерновок;

? пути проката оберток, снятых единым пакетом с початка, от геометрических параметров и деформаций початка и рабочих органов;

? числа выделенных зерновок от морфологических характеристик початка кукурузы;

? коэффициентов восстановления зерновок при непрямом ударе от скорости и угла соударения.

Новизна технических решений очистки початков подтверждается патентами № 2111644 и № 2112349, обмолота початков патентом № 2319336 и линии по обмолоту семенного материала кукурузы патентом № 2171023.

Практическую ценность работы представляют: методика классифи-кационного выбора для исследований показателей физико-механических свойств початков кукурузы; статистические данные по физико-механическим свойствам початков кукурузы; методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы, основанные на результатах теоретико-экспериментальных исследований; конструктивно-компоновочные схемы очистительного и молотильного блоков; исходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмолота початков кукурузы; комплект программ и алгоритмов по расчету параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы; учебные пособия.

Реализация результатов диссертационных исследований. Результаты исследований приняты и используются Ассоциацией производителей семян кукурузы (Краснодарский край); Департаментом сельского хозяйства и продовольствия администрации Краснодарского края технические решения включены в «Системы ведения агропромышленного производства Краснодарского края на 2008-2010 гг.»; ГНУ «Кабардино-Балкарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» Россельхозакадемии рекомендованы к внедрению усовершенствованные рабочие органы и технология очистки и обмолота початков кукурузы на предприятиях Кабардино-Балкарской республики; результаты исследований внедрены ГНУ КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко.

Учебные пособия (гриф МСХ РФ) и монографии используются в учебном процессе агроинженерных и экономических факультетов ряда вузов России.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены в период с 1998 по 2008 год и получили официальное одобрение на научных форумах: научно-технических и учебно-методических конференциях КубГАУ, международных конференциях «Образование. Экономика. Информатика.» (Астрахань, 2003 г.), «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 2004 г.), «Математика. Экономика. Образование» (Ростов-на-Дону, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития высшего образования» (Сочи, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы на современном этапе развития общества» (Пятигорск, 2003 г.).

Теоретические исследования результатов диссертационных исследований удостоены следующих наград: бронзовая медаль «Гордость науки Кубани» и диплом ЙЙЙ степени ? Краснодар, 2005 г., диплом лауреата конкурса фонда развития отечественного образования ? Сочи, 2007 г., почетная грамота Департамента образования и науки Краснодарского края ? Краснодар, 2005 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, который включает 313 использованных источников, в том числе 71 иностранных и приложений. Диссертация изложена на 329 страницах основного текста, содержит 124 рисунка и 11 таблиц.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 47 работах, в том числе 7 в журналах «Техника в сельском хозяйстве» и «Механизация и электрификация сельского хозяйства». По результатам исследований получено 4 патента, 2 свидетельства на программное обеспечение (свидетельство № 2008612672 и № 2008612673), вошедшие во Всероссийский фонд алгоритмов и программ.

На защиту выносятся основные положения диссертации:

? аналитическое обоснование технических средств для очистки и обмолота початков кукурузы;

? методика выбора показателей физико-механических свойств початков кукурузы и результаты их теоретико-экспериментальных исследований;

? результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию геометрических, кинематических и технологических параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;

? методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;

? исходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмолота початков кукурузы;

? предложения по совершенствованию технических средств очистки и обмолота початков кукурузы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность проблемы, научная новизна, изложены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены значение кукурузы для народного хозяйства, состояние изученности анатомических, морфологических и физико-меха-нических свойств початков кукурузы. Предложены классификации очистительных и молотильных аппаратов и указаны возможные направления дальнейшего совершенствования технологических процессов очистки и обмолота початков кукурузы.

Физико-механические свойства кукурузы изучали М.Ф. Бурмистрова, А.И. Буянов, И.Т. Осьмак, А.Ф. Соколов, В.С. Кравченко, Н.Н. Шатилов, В.С. Курасов, К.В. Ульрих и другие ученые. Установлено, что, несмотря на многообразие и большой объем накопленных данных по физико-механичес-ким свойствам, существует целый ряд нерассмотренных вопросов. К настоящему времени такими учеными как В.П. Горячкин, И.О. Василенко, Н.И. Гуров, В.В. Деревенко, М.А. Пустыгин, Э.И. Липкович, Г.Г. Маслов, Э.В. Жалнин, Н.И. Кленин, Г.И. Креймерман, М.Г. Голик, В.С. Кравченко, В.С. Курасов, Ю.И. Мозговой, Г.А. Никитина, А.И. Пьянков, А.И. Гокоев, Т.К. Тогонбаев, Н.Н. Ульрих, К.В. Шатилов, В.В. Войцехович проведены значительные теоретические и экспериментальные исследования рабочих органов машин для уборки и послеуборочной обработки початков кукурузы, в том числе семенной.

Анализ предшествующих работ позволил выявить нерешенные проблемы в механизации очистки и обмолота початков кукурузы: недостаточную изученность анатомо-морфологических особенностей початков кукурузы; необходимость полного теоретического обоснования процессов очистки и обмолота початков кукурузы, аналитически обосновывающего новые закономерности взаимодействия системы «растительный объект ? рабочие органы» и учитывающее анизотропность объектов обработки; отсутствие технических решений по конструкциям очистителей и молотилок, работающих с продукцией повышенной по сравнению с исходными требованиями влажностью ? и сформулированы научная и рабочая гипотезы исследований.

Научная гипотеза по очистке початков ? переход от конструкций, в которых съем оберток с початков кукурузы носит случайный характер, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен определенному закону, возможен, если обеспечено раздельное взаимное перемещение всего пакета оберток с измененным характером облегания поверхности початка относительно поверхности зерновок.

Научная гипотеза по обмолоту початков ? переход от конструкций, в которых обмолот початков кукурузы связан с неорганизованным воздействием на зерновки, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен определенному закону, возможен, если обеспечено перемещение слоя зерновок относительно стержня.

Рабочая гипотеза ? интенсификация процессов очистки и обмолота початков кукурузы, обеспечивающих ресурсосбережение, достигается: минимизацией габаритов аппаратов; исключением неорганизованного перемещения початков; обработкой початков во внутреннем пространстве, образованном рабочими органами, при непрерывном взаимном контакте с рабочими органами; уменьшением времени обработки початков.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

? обосновать классификационный подход к выбору физико-механи-ческих свойств початков кукурузы и выполнить теоретико-эксперименталь-ные исследования;

? теоретически исследовать процесс очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате и обосновать направления его интенсификации и ресурсосбережения;

? выполнить экспериментальные исследования для подтверждения результатов теоретического обоснования процесса очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате;

? теоретически исследовать процесс обмолота початков кукурузы в трех-вальцовом аппарате и обосновать направления его интенсификации и ресурсосбережения;

? выполнить экспериментальные исследования для подтверждения результатов теоретического обоснования процесса обмолота початков кукурузы в трехвальцовом аппарате;

? разработать методики инженерного расчета параметров трехвальцовых очистителя и молотилки початков семенной кукурузы;

? разработать проект исходных требований на трехвальцовые очиститель и молотилку початков семенной кукурузы;

? провести технико-экономическую оценку эффективности трехвальцовых очистителя и молотилки початков семенной кукурузы.

Во второй главе приведены программа и методика определения физико-механических свойств гибридов кукурузы, получаемых на Кубани и наиболее распространенных на территории РФ в последние годы.

Для исследования показателей физико-механических свойств предложен метод, позволяющий выбирать эти показатели по классификационной таблице в зависимости от зоны початка и характера воздействия на него рабочими органами или другими зонами початка.

Дана математическая модель формы початка кукурузы (1), позволяющая оценивать степень заполнения рабочего пространства очистительных и молотильных аппаратов обрабатываемыми объектами

где b ? малая полуось контура початка, м;

a ? большая полуось контура початка, м;

d ? максимальный диаметр початка, м;

x ? текущая координата, м.

Определены предельные значения размерных характеристик початков кукурузы, которые позволяют выбирать оптимальные габариты рабочих органов: длина вальцов ? не менее 0,35 м (по общей и опорной длине поверхности початка: от 1,54•10^?1 до 2,24•10^?1 м; от 1,1•10^?1 до 1,43•10^?1 м) при условии вращения початка параллельно рабочим органам (по изменению объема занимаемого початком в процессе неупорядоченного перемещения: соотношение объемов вращения початка вокруг продольной и поперечной осей 8:1, именно такое неупорядоченное перемещение приводит к сбоям в работе початкоочистительных аппаратов и молотилок); максимальное расстояние между касательными к поверхностям рабочих органов не более 6,0•10^?2 м (по размерам диаметров по опорной поверхности: от 3,9•10^?2 до 6,3•10^?2 м); диаметр вальцов ? не менее 2,8•10^?2 м (по размерам диаметров початков).

Определены предельные значения физико-механических свойств початков кукурузы, которые позволяют выбирать оптимальные параметры процессов их очистки и обмолота: моменты инерции создаваемые рабочими органами ? не менее 9,0•10^?2 кг•м² (по моментам инерции початка: от 1,92•10^?2 до 8,93•10^?2 кг•м²); коэффициенты трения поверхностей рабочих органов по поверхностям початков ? не менее 0,55 (по коэффициентам трения различных пар поверхностей початков и материалов: трения покоя початков в обертках по стальной поверхности составили 0,43, по резине ? 0,91, початков по початкам ? 0,53; трения движения по стальной поверхности ? 0,34, по резине ? 0,86, по початку ? 0,47); усилие давления, создающее деформацию оберток ? до 1,6 мПа (по деформации слоя оберток: от 0,234 до 1,638 МПа); усилие, необходимое для разрыва пакета оберток ? не менее 770 Н (по усилию разрыва, отнесенному к единице длины опорной поверхности: от 100 до 767 Н/м); усилие, необходимое для отрыва пакета оберток от початка ? не менее 45 Н (по усилиям отрыва листьев оберток при растяжении и кручении: от 17,1 до 191,0 Н); профиль очистительных вальцов (по структуре листьев обертки: шаг жилкования от 7 до 12 мкм); кинематические параметры (по коэффициентам восстановления зерновок кукурузы от 0,75 до 0,154 при прямом и косом ударах о поверхности тел на скоростях от 0,80 до 3,14 м/с).

В третьей главе рассмотрены теоретические предпосылки, позволяющие обосновать управляемость процессов и изменение некоторых физико-механических характеристик неочищенного початка кукурузы, с целью обеспечения выполнения исходных требований к початкоочистительным аппаратам.

В соответствии с поставленной задачей была разработана схема установки для очистки початков (рис. 1).

Теоретические исследования деформаций, возникающих упругих напряжений и перемещений оберток початка выполнили для случаев контакта: 1) очищаемого початка с прижимным барабаном и с направляющей; 2) обрезиненной поверхности приводного вальца, рифлёного вальца и прижимного барабана с очищаемым початком.

Рисунок 1 ? Установка для разделения и очистки початков:

1 ? приемный бункер; 2 ? вертикальный транспортер-дозатор вороха початков; 3 ? скатная доска; 4 ? делитель; 5 ? транспортер очищенных початков; 6 ? промежуточный бункер неочищенных початков; 7 ? вертикальный транспортер-дозатор неочищенных початков; 8 ? лопастной дозатор; 9 ? направитель початков; 10 ? приводной очистительный валец; 11 ? ведомый очистительный валец; 12 ? прижимной барабан с карманами; 13 ? упор

В момент затягивания початка при съеме оберток сближение прижимного барабана и опорной поверхности имело вид:

,(2)

где д_з - деформация прижимного барабана и опорной поверхности, м;

д_в - деформация ведомого вальца, м;

д_п - односторонняя радиальная деформация початка, м;

д_н - деформация нижнего вальца, м;

д_нп - деформация направляющей поверхности, м;

При снятии оберток с початка сближение прижимного барабана и отрывочных вальцов за счет деформации составило:

, (3)

где д_сн - сближение центров осей прижимного барабана и вальцов, м;

д_б - деформация прижимного барабана, м;

д_пp - деформация приводного вальца, м;

г - угол давления, град.

В результате анализа полученных зависимостей установили, что деформация початка в пределах упругости приводит к изменению формы поперечного сечения самого початка и пакета оберток и, соответственно, к увеличению площади контакта. Величина деформации початка и пакета оберток прямо пропорциональна напряжению. Она зависит от прочностных характеристик, жесткости, размеров початка и рабочих органов.

Аналитическое исследование деформации оберток дало возможность оценить величину перемещения в радиальном и тангенциальном направлениях (рис. 2 и 3)

Рисунок 2 ? Силы, действующие Рисунок 3 ? Перемещения оберток при на обертки при защемлении прокате початка в очистительном блоке

, (4)

(5)

где ? радиальная деформация оберток початка, м;

? тангенциальная деформация оберток початка, м;

k_1г, k_3г, k_4г ? коэффициенты, характеризующие углы давления г₁, г₂;

Р ? усилие прижатия початка к вальцам, Н;

r_п ? радиус початка, м;

Е ? модуль упругости оберток, Па;

J ? момент сопротивления сечения слоя оберток, м⁴;

ц ? угол дуги между контактными точками, град.

Полученные выражения для перемещений з_d и о справедливы в интервале для угла ц от 0 до р.

При воздействии разновеликими рабочими органами с центрами кривизн, отстоящими на различных расстояниях как друг от друга, так и от центра обрабатываемого початка, его поверхность деформируется и принимает сложную форму (рис. 4).

Рисунок 4 - Зависимость радиальной з_d (1) и тангенциальной о (2) деформаций слоя оберточных листьев от угла ц с постоянными Р = 175 Н, d = 50 мм, Е = 6,5•10⁸ Па и J = 4.5•10^-10 м⁴

Определение угла затягивания ц початка в рабочую щель выполнено графо-аналитическим методом (рис. 5)

Рисунок 5 ? Схема затягивания початка в трехвальцовом очистительном блоке

, (6)

где ц ? угол затягивания;

r_б ? радиус прижимного барабана, м;

d*? зазор в очистительном блоке, м;

r_п ? радиус початка, м.

Выражение (6) позволило определить угол затягивания, который образуется между рабочими органами и початком. Для принятой схемы очистительного аппарата с учетом радиусов вальцов (r_б = 0,175 м, r_пp = 0,0355 м, r_в = 0,028 м) были выполнены расчеты для значений зазора d*. В результате анализа полученных данных определили, что при зазоре между прижимным барабаном и плоскостью скольжения, равном диаметру початка, очистка последнего не происходит, так как он только касается этих поверхностей.

Величина зазора DE = d* между очистительными вальцами и прижимным барабаном определялась по формуле:

, (7)

где r_в ? радиус ведомого вальца, м;

; (8)

r_пр ? радиус приводного вальца, м.

Длина дуги прижимного барабана, необходимая для очистки одного початка, составляла:

,(9)

где ? длина дуги на участке загрузки початка в очистительный блок,

;

? длина дуги, на которой происходит возвращение початка в исходное положение

,

? длина дуги прижимного барабана, на которой происходит съем оберток, м;

?длина дуги барабана, на которой располагается карман ,м;

где А₁ ? коэффициент, учитывающий размерные характеристики початка;

? длина дуги прижимного барабана нейтрального участка,

, м;

А₂ - поправочный коэффициент, учитывающий перекатывание к карману очищенного початка.

Диаметр прижимного барабана определили как:

(10)

где d ? диаметр прижимного барабана, м;

n_к ? число карманов на барабане, шт.

Время полного цикла обработки початка при съеме оберток составило:

, (11)

где T ? время обработки одного початка, с;

v_б ? линейная скорость прижимного барабана, м/с;

л ? кинематический коэффициент.

Производительность очистительного аппарата определили как:

(12)

где Q ? производительность очистительного аппарата, т/ч;

б₁ ? коэффициент использования очистительного аппарата;

m ? масса початка, кг.

Баланс мощности на съем оберток составил:

N_оч = N_деф + N_пр + N_отр, (13)

где N_оч ? мощность на съем оберток пакетом, Вт;

N_деф ? мощность на деформацию оберток, , Вт,

где Р_в ? усилие поджатия ведомого вальца, Н;

Т ? время очистки одного початка, с;

f ? коэффициент трения качения пары валец-початок;

N_пр ? мощность на прокат оберток, ,Вт,

где Р_б ? усилие прижатия барабана, Н;

N_отр ? мощность на отрыв оберток пакетом, ,Вт,

где Р_об ? усилие отделения пакета листьев обертки, Н;

Т₂ ? время съема пакета оберточных листьев, с.

Мощность электродвигателя для привода очистительного аппарата определена из выражения

, (14)

где ? мощность, необходимая для привода очистительного аппарата, Вт;

N_xx?мощность холостого хода, N_xx = 0,25N_оч, Вт.

С учетом проведенных исследований, установили, что основными направлениями ресурсосбережения процесса очистки початков кукурузы являются:

? разработка конструкции, принцип которой может быть использован как в линиях, так и для очистки малых партий початков кукурузы;

? снижение материалоемкости за счет минимизации габаритов аппарата;

? обеспечение устойчивости технологического процесса очистки початков за счет создания индивидуального рабочего пространства для каждого початка;

? повышение надежности процесса за счет постоянного контакта початка с тремя поверхностями рабочих органов и обработки без продольного перемещения по рабочим органам;

? рост энергонасыщенности процесса очистки в результате использования принципа съема оберток единым пакетом.

В четвертой главе даны программа и методика исследований процесса очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате.

Исследование деформации оберток при прокате отрывочными вальцами проводилось методом моделирования процесса на лабораторной установке. Усилие прижатия от 85 до 550 Н создавалось в трехвальцовом блоке очистительного аппарата прижимным вальцом. Верхний предел усилия прижатия был меньше значения разрушающей силы початка.

При проведении исследований съема оберток использовались как стандартные резиновые втулки вальцов диаметром 71 мм, так и стальные вальцы с рифленой поверхностью диаметром 58 мм и гладкие диаметром 86 мм. В процессе исследований было установлено, что стальные гладкие не подходят для процесса съема оберток пакетом. Поэтому в дальнейшем использовались только вальцы с резиновыми втулками и рифленые.

Установлено, что при нагружении внешними силами початка происходит деформация в несколько этапов. Сначала деформируются листья обертки, затем наступает разрушение связи зерновок со стержнем, и они начинают выдавливаться, а затем происходит разрушение стержня початка. Сложность точного решения контактной задачи при одновременном действии на початок нормальных и касательных сил, заставила ограничиться ее приближенным решением. Основное допущение приближенного решения заключалось в том, что для нормальных сил сохранялся эллипсоидальный закон распределения по площади контакта, а касательные были пропорциональны нормальным. Отношение касательных к нормальным силам приняли величиной постоянной, равной коэффициенту трения.

Влияние касательных сил сказывается в постепенном приближении точки с наибольшим касательным напряжением из глубины к поверхности соприкасающихся тел и в росте величины этого напряжения параллельно с увеличением значения коэффициента трения.

Расчетное значение полоски контакта без учета давления определили из выражения:

ресурсосберегающий обмолот кукуруза трехвальцовый

(15)

где S_n - полоска контакта вальца с початком, м²;

a - малая полуось эллипса контакта, м;

b - большая полуось эллипса контакта, м;

x - текущая координата малой полуоси эллипса контакта, м.

Экспериментально определили, что с увеличением давления со стороны рабочего органа на початок абсолютное удвоенное значение большой оси эллипса приближается к длине опорной поверхности початка. Так, если при на-

грузке 85 Н оно составляло 64% при контакте с обрезиненным вальцом и 44 ? со стальным, то при давлении 550 Н оно составляло 94% для обрезиненного и 76% ? для стального. Необходимо отметить, что на значение величины размеров контактной поверхности влияют также физико-механические свойства контактирующих тел. Резина более эластична, и ее показатели соизмеримы с показателями початка в обертке. За счет большей деформации обрезиненных поверхностей вальцов увеличивается поверхность контакта.

Что касается ширины полоски контакта, равной удвоенному значению длины малой оси эллипса, то она при увеличении давления от 85 до 550 Н удваивается, и это способствует более интенсивному «вспучиванию» обер-ток початков между точками давления.

Исследование давления и кинематики привода на процесс съема оберток пакетом позволило установить следующее. С увеличением поджатия початка от 52,5 Н при л = 1,385 Н до 550 Н при л = 0,72 количество оборотов вокруг оси, которое совершает початок при съеме с него оберток, уменьшается с 3,78 до 0,68. Необходимо отметить, что при л = 1,385 и усилии 52,5 Н количество оборотов початка, совершаемое вокруг оси, колеблется от 12 до 1,5. Все это говорит о неустойчивости процесса. При этом некоторые початки, проходя через початкоочистительный аппарат, перекатывались по вальцам и не освобождались от оберток. При л = 1 отмечались случаи, когда один или несколько листьев обертки закручивались вокруг початка, и в таком положении он продолжал вращаться, не освобождаясь от оберток. Технологический процесс съема оберток осуществляется в заданном режиме, т. е. за один оборот (и меньше) початка вокруг своей оси при значениях л < 1.

Эмпирические зависимости числа оборотов початков вокруг своей оси от усилия поджатия к отрывочным вальцам в процессе проката в очистительном аппарате составили:

для ведомого обрезиненного вальца

при л = 0,72 (16)

для стального рифленого вальца

при л = 1,385 , (17)

при л = 1,154 (18)

при л = 1,0 (19)

при л = 0,867 (20)

при л = 0,72 . (21)

Уменьшение значения кинематического коэффициента с одновременным

усилением поджатия очищаемых початков к вальцам приводило к улучшению протекания технологического процесса. Сокращение числа оборотов початка при съеме оберток дало право сделать выбор в пользу режима л = 0,72 и усилия поджатия початка P = 550 H. Это гарантировало уменьшение габаритов аппарата и увеличение производительности при соблюдении исходных требований к очистке початков.

Усилия отделения листьев оберток определяли для приводного отрывочного вальца с резиновыми втулками и ведомых ? стального рифленого и со со стандартными резиновыми втулками.

Для стального рифленого вальца среднее значение величины разрыва составляло 52,61 Н, максимальное ? 158 Н, минимальное ? 25 Н.

Для вальца со стандартными резиновыми втулками среднее значение было 41,11 Н, максимальное ? 130 Н, минимальное ? 20 Н.

Таким образом, для процесса очистки предпочтительно сочетание вальцов с обрезиненной поверхностью и рифленых с шагом жилкования на листьях обертки.

Процесс съема оберток с початков полной спелости представлены на рисунках 6 и 7.

Уточнение основных параметров початкоочистительного аппарата выполнили методом планирования эксперимента. После реализации матрицы планирования были определены коэффициенты регрессии и получено уравнение:

(22)

Рисунок 6 ? Съем оберток

Рисунок 7 - Очищенный с початка полной спелости початок с пакетом снятых оберток

В результате предварительного анализа установлено, что основными факторами, влияющими на процесс очистки початков, являются усилие поджатия, кинематический коэффициент и коэффициенты трения. Поэтому был проведен полный анализ всех шести двумерных сечений поверхностей откликов, характеризующих качество очистки початка по числу оборотов его вокруг своей оси при съеме оберток в зависимости от: прижатия к вальцам Р и кинематического коэффициента л при коэффициенте трения f = 0,59, скорости вращения прижимного вальца v = 0,8 м/с и угле поворота осей б = 0°; Р и f при л = 0,95, v = 0,8 м/с и б = 9,22°; Р и v при л = 0,95, f = 0,59 и б = ?16,85°; л и f при Р = 300 H, v = 0,8 м/с и б = 9,21°; л и v при P = 300 H, f = 0,59 и б = 0°; f и v при P = 300 H, л = 0,95 и б = 45°.

В пятой главе рассмотрены теоретические предпосылки, позволяющие обосновать управляемость процессов и изменение некоторых физико-меха-нических характеристик початка кукурузы, с целью обеспечения выполнения исходных требований к молотильным аппаратам.

Изучение контактных напряжений, действующих при передаче усилий от рабочих органов молотильного аппарата на початок, необходимо для решения задачи сохранения целостности початка, зерновок и их зародышей, а также стержня при обмолоте.

При решении вопросов взаимодействия рабочих органов и початков исходили из основных положений классической теории деформации тел в местах контакта. Вместе с тем учитывали и возникновение касательных нагрузок, связанных с относительным скольжением в процессе выделения зерновок.

Для обмолота початков кукурузы была разработана схема установки, представленная на рисунке 8. Установка обеспечивала захват початка, прокат его при сохранении целостности зерновок, попадающих в зазор между верхним и нижним вальцами, передачу в молотильный блок, деформацию початка и его обмолот с последующей разгрузкой молотильного блока.

Теоретические исследования возникающих упругих напряжений и перемещений зерновок выполнили для случаев контакта: 1) обмолачиваемого початка с прижимным вальцом и с направителем; 2) обрезиненной поверхности приводного вальца, рифлёного вальца и прижимного вальца с обмолачиваемым початком.

Приняв, что при деформации соприкасающихся тел первоначально точечный контакт переходит в контакт по достаточно малой эллиптической площадке, а силы давления между соприкасающимися телами распределены по площади контакта по эллипсоидальному закону, получили выражение для определения перемещений зерновок при сжатии и эллипсоидальном распределении давлений:

, (23)

где w ? перемещение зерновок при сжатии, м;

a ? большая полуось контурного эллипса, м,

; (24)

b ? малая полуось контурного эллипса, м,

, (25)

р₀ ? наибольшее давление между соприкасающимися телами, Па,

, (26)

д ? сближение соприкасающихся тел, м,

. (27)



Рисунок 8 ? Схема установки для обмолота початков:

1 ? приемный бункер; 2 ? распределитель початков; 3 ? горизонтальный дозатор вороха очищенных початков; 4 ? дозатор; 5 ? скатная доска; 6 ? направитель початков; 7 ? верхний молотильный валец; 8 ? нижний молотильный валец; 9 ? прижимной молотильный валец; 10 ? автомат управления; 11 ? регулирующий пружинный механизм; 12 ? блок пружин прижимного молотильного вальца; 13 ? улавливающее устройство для зерна и стержней; 14 ? решета; 15 ? рама; 16, 17, 18 ? кронштейны

При обмолоте початка происходит непосредственный контакт рабочих органов с поверхностью зерновок. Нагрузка на початок, подлежащий обмолоту, намного больше, чем при очистке. Сближение контактирующих тел в этом случае определили как

. (28)

В результате анализа полученных результатов установили, что деформация початка в пределах упругости приводит к изменению формы поперечного сечения самого початка и, соответственно, к увеличению площади контакта. Величина деформации початка прямо пропорциональна напряжению. Она зависит от прочностных характеристик, жесткости, размеров початка и рабочих органов.

Упругую линию сечения приняли в качестве замкнутого кольца, закрепленного в молотильном аппарате. В результате защемления початка происходит деформация слоя зерновок с желаемым изменением формы и разрушением связи их со стержнем, что способствует улучшению выделения их с поверхности початка. При этом усилие деформации не должно создавать напряжений, превышающих предел упругости стержня початка. Радиальные и тангенциальные перемещения слоя зерновок определили аналогично перемещению слоя оберток (4, 5).

Рисунок 9 ? Зависимость деформаций початка при обмолоте в трехвальцовом аппарате от угла ц

1 ? з_d ? радиальные деформации; 2 ? о ? тангенциальные деформации

Полученные выражения для перемещений з_d и о справедливы в интервале для угла ц от 0 до р. Для случая, когда происходит обмолот початка диаметром d = 0,05 м в трехвальцовом аппарате при сжатии прижимным вальцом с усилием P = 175 Н, моменте сопротивления сечения слоя зерновок початка J = 2,083•10^?10 м⁴, модуле упругости Е = 5•10⁸ Па и изменении угла ц от 0 до 0,8•р характер радиальных и тангенциальных деформаций представлен на рисунке 9.

Рассматривая схему молотильного блока, определили угол затягивания

(29)

На величину угла затягивания початка влияет значение технологического зазора ?, который предусмотрен в молотильном аппарате (рис. 10).

Для принятой схемы молотильного аппарата с учетом радиусов вальцов (r_пж = 0,0355 м , r_вх = 0,0355 м , r_н = 0,028 м) определили углы затягивания 36,90?73,40° для початков без оберток диаметром 0,03?0,065 м. Это соответствует сумме углов трения для початков без оберток о сталь и резину, т. е. рабочие органы с резиновым покрытием обеспечат затягивание початков в рабочий зазор.

Рисунок 10 ? Схема к определению Рисунок 11 ? Схема к определению угла затягивания в молотильном блоке зазора в молотильном блоке

Величина зазора в молотильном блоке составила (рис. 11):

, (30)

где r_вх ? радиус верхнего вальца, м;

r_н ? радиус нижнего вальца, м.

При обмолоте рабочие органы, включающие прижимной и молотильные вальцы (верхний и нижний), обеспечивают вращение початка с одновременным проскальзыванием относительно зерновой части. Это происходит за счет различия физико-механических характеристик поверхностей рабочих органов и зерновой поверхности, давления на початок и кинематики механизма привода вальцов. Отношение линейных скоростей прижимного вальца и верхнего вальца характеризуется коэффициентом

. (31)

При л = 1 линейные скорости прижимного, верхнего и нижнего вальцов в точке контакта равны, т. е. Из этого следует, что початок, подверженный воздействию равнодействующих R_пж, уравновешен моментами этих сил. Момент M_пж, выталкивающий початок, уравновешивается моментом М_вх, поэтому теоретически нижний валец не воздействует на початок. Однако на практике из-за неравномерности работы привода, неровности поверхности початка затягивание и обмолот осуществляются, но в целом процесс является неустойчивым.

При л > 1 линейные скорости прижимного, верхнего и нижнего вальцов не равны, т. е. Из этого следует, что початок в рабочее пространство молотильного блока не входит, а, вращаясь вокруг своей оси, продолжает катиться по поверхности верхнего и прижимного вальцов.

Таким образом, рабочим режим молотильного блока является при условии, когда л < 1.

Длина дуги прижимного вальца, необходимая для обмолота одного початка, составила (рис. 12):

(32)

Линейная зависимость изменения длины дуги, по которой происходит обмолот одного початка, от геометрических размеров початка свидетельствует, что с увеличением его диаметра резко возрастает путь, необходимый для обмолота одного початка.

Рисунок 12 ? Схема для определения длины дуги рабочей зоны

Полное время цикла для обмолота одного початка составило:

. (33)

Выделение зерновок из початка при обмолоте рассмотрели при условии, что характер изменения контактной силы и ускорений определяется только упругим местным смятием. При передаче внешних касательных усилий, вызванных приложенными к ним моментами, материал прижимного вальца подходит к поверхности контакта сжатым, а выходит из его зоны растянутым. Зерновки початка оказываются растянутыми на входе в контакт и сжатыми ? на выходе. Переход материалов прижимного вальца и початка кукурузы из состояния сжатия в состояние растяжения наблюдается на некотором участке контакта и обязательно сопровождается упругим скольжением соприкасающихся поверхностей, что и приводит к обмолоту зерновок.

Скорость относительного перемещения v_ск соприкасающихся поверхностей в зоне скольжения составила:

, (34)

где v_к ? скорость качения початка, м/с;

r_п и R₂ ? радиусы кривизны початка и вальца или прижимного вальца в

точках начального касания, м.

Увеличение скорости вращения початка и рабочих органов способствует повышению скорости проскальзывания контактных поверхностей.

Зависимость мощности, затрачиваемой на перекатывание с обмолотом при упругом скольжении пары початок ? валец, составила

, (35)

где k_c ? коэффициент сцепления материала вальца с поверхностью початка.

В результате анализа полученных данных установили, что увеличение диаметра початка и скорости его проката приводят к увеличению затрат энергии на обмолот зерновок. Экспериментально определено, что при усилии поджатия початка 175?370 Н происходит полный обмолот зерновок без повреждения.

Движение зерновок при выдавливании вальцом, воздействующим на початок, рассмотрели с учетом непостоянства величины и направления начальной скорости их движения. Величина и направление начальной скорости u₀ движения зерновок является функцией скорости движения вальца v_в, скорости вращения початка вокруг своей оси v_п и удара, возникающего в точке контакта:

(36)

Рассмотрев процесс многократного соударения зерновок с поверхностями, получили параметрическую форму скорости движения зерновки в молотильной камере в общем виде, а также закон движения:

(37)

; (38)

(39)

, (40)

где С - произвольная постоянная, С = 0 при движении зерновки вдоль положительного направления оси Y¹,

проекция вектора скорости на оси Х¹ и Z;

скорость зерновки в момент удара в точке М, м/с;

г_m ? угол отклонения начальной скорости движения зерновки после отражения относительно оси абсцисс, м;

k_v - коэффициент восстановления;

б_m, в_m - углы падения и отражения зерновки в точке M.

Анализ уравнений (37?40) позволяет определить скорость и закон движения зерновки, количество ударов о стенки молотилки, а также основные факторы, влияющие на ее движение.

Увеличение угла от 0° до 75° приводит к уменьшению числа встреч зерновок с поверхностями рабочего пространства. Например, зерновки вышедшие с начальной скоростью 0,24 м/с при г = 0°, совершают один удар при своем движении от момента выделения из початка до выхода из рабочего пространства, а при г = 75° движутся без соударений.

Возрастание U₀ приводит к увеличению числа ударов зерновки о стенки молотилки. Например, при скорости U₀ = 0,24 м/с и г = 0° зерновка совершает один удар, а при U₀ = 1,0 м/с - два.

Увеличение k_v ведет к росту числа ударов зерновок о стенки. Например, если U₀ = 1,0 м/с и г = 0°, то при k_v = 0,4 количество ударов два, а при k_v = 1,0 оно возрастает до четырех.

Обмолот кукурузы осуществляется за счет деформации початков, обеспечивающей начальное выделение нескольких рядов зерен и сил трения, способствующих выделению оставшегося зерна. Поэтому общую мощность, необходимую для обмолота, представили как

N_об = N_деф + N _тр + N_у, (41)

где N_o6 ? мощность, необходимая для обмолота початка, Вт;

N_деф - мощность на деформацию початка, Вт,

N_деф = (1,1?1,3)•Р•v_пж,

где Р - усилие поджатия прижимного вальца к початку, Р = 200?650 Н;

v_пж - скорость прижимного вальца, v_пж = (0,72?0,87)•v_вх м/с.

N_тр - мощность на преодоление сил трения при прокате прижимного

вальца по початку, Вт,

N_тp = f•P•v_пж,

где f - коэффициент трения, f = 0,46?1,08.

Мощность на холостой ход определили из выражения, предложенного М.А. Пустыгиным

,

где А и В - коэффициенты пропорциональности, зависящие от геометрических параметров вальцов, А = 0,3•10² Н•м и В = 0,68•10^?1 Н•м•с²;

щ_р - угловая скорость вальцов, с^?1.

На основании аналитических и теоретических исследований были определены основные направления ресурсосбережения процесса обмолота початков кукурузы: разработка конструкции, принцип которой может быть использован как в линиях, так и для обмолота малых партий початков кукурузы; снижение материалоемкости за счет минимизации габаритов аппарата; обеспечение устойчивости технологического процесса обмолота початков за счет создания индивидуального рабочего пространства для каждого початка; повышение надежности процесса за счет постоянного контакта початка с тремя поверхностями рабочих органов и обработки без продольного перемещения по рабочим органам; рост энергонасыщенности процесса очистки в результате использования принципа обмолота при интенсивной предварительной деформации слоя зерновок с последующим выдавливанием с одновременным вытиранием при малых скоростях.

В шестой главе даны программа и методика исследований, схемы лабораторных установок для исследования деформации початков и выделения из них зерновок, результаты исследования обмолота початков кукурузы в трехвальцовом аппарате.

Эмпирическая зависимость усилия выдавливания зерновки кукурузы от угла давления имеет вид (рис. 13):

Рисунок 13 ? Зависимость усилия разрушения Р_в связей отдельных зерновок со стержнем от угла давления г

, (42)

где Р_в - усилие выдавливания отдельной зерновки, Н;

г - угол давления, град.

Зависимости выделения зерновок при обмолоте от характера их взаиморасположения на початке представили в виде арифметической прогрессии. Если воздействие осуществляется на первый ряд зерен, то для четного числа рядов получили:

, (43)

где S - число выдавливаемых зерен, шт;

a₁ - порядковый номер ряда, участвующего в выделении зерен;

a_n ? n-й ряд, участвующий в процессе выделения зерен;

n - число зерен, участвующих в процессе выделения, шт.

Если воздействовать на 2-й ряд зерен при четном числе рядов, то

, (44)

где а₂ - второй ряд зерен.

Если при обмолоте воздействие направлено на первый ряд зерен, то для нечетного числа рядов

, (45)

Если при обмолоте воздействие осуществляется на второй ряд зерен, то при нечетном числе рядов число выделенных зерновок составит:

, (46)

где n₁ - число парных рядов.

Определены характеристики площадки контакта початка и вальца в зависимости от усилия поджатия (табл.).

Из анализа приведенных данных следует, что с увеличением угла давления разрушение связи зерновок со стержнем резко уменьшается. Это подтверждается тем фактом, что процесс выделения зерновок наиболее эффективен при угле давления 90°. Такой процесс возможен при интенсивном контакте со скольжением. В этом случае наиболее приемлемым является аппарат, копирующий форму обрабатываемого объекта, в котором каждый початок обмолачивается при интенсивном контакте с изменением некоторых физико-механических свойств.

Таблица ? Характеристика площадки контакта початка и резиновой поверхности вальца в зависимости от усилия поджатия

Длины полуосей площадки контакта, м	Сила поджатия, Н
	85	178	271	364	457	550
2а	9,75•10-2	11,70•10-2	12,95•10-2	13,65•10-2	14,25•10-2	14,75•10-2
2b	1,30•10-2	1,70•10-2	2,05•10-2	2,15•10-2	2,30•10-2	2,50•10-2

С целью выбора оптимальных технологических показателей обмолота нами были выполнены исследования влияния усилия поджатия початков к вальцам в процессе выделения зерновок из початков, зависимости процесса выделения зерновок от влажности, установлен характер выделения зерновок в зависимости от скорости при различной шероховатости поверхностей рабочих органов молотильного аппарата.

В результате исследования влияния относительной влажности зерновок на процесс обмолота початков была установлена эмпирическая зависимость средних значений разрушения зерновок ч от влажности w (рис. 14)

. (47)

Очевидно, что допустимым значением влажности можно считать интервал до 40%.

...