Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Обоснование и разработка

процессов и машин для раздельной уборки льна-долгунца

05.20.01 -- Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Зинцов Александр Николаевич

Москва 2007

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Костромская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО КГСХА)

Научный консультант: академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Лачуга Юрий Федорович

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Горбачев Иван Васильевич

член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ Черников Виктор Григорьевич

доктор технических наук, профессор Корабельников Ростислав Васильевич

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский НИИ механизации сельского хозяйства» (ВИМ)

Защита состоится «25» февраля 2008 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д220.044.01 при ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «___» ____________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор А.Г. Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Лен -- национальное достояние России, исторически являющийся важной статьей дохода в агропромышленном секторе. Отличительной особенностью льна-долгунца является возможность использования всего биологического урожая в различных отраслях народного хозяйства.

Однако в современных условиях происходит спад производства льна. Это явление обусловлено, прежде всего, высокой себестоимостью возделывания льна-долгунца и низкими закупочными ценами на льнопродукцию. Экономическая целесообразность производства льна-долгунца зависит от качества и урожайности продукции, которые формируются в процессе возделывания льна и, главным образом, при реализации уборочных процессов.

В такой ситуации повышение качества и сбора продукции является приоритетным направлением развития льняной отрасли. Для успешной реализации поставленной задачи льноводству нужны дешевые, экономически высокопроизводительные машины, объединяющие целый ряд технологических операций, специально направленных на сохранение и повышение качества льносемян и тресты.

Одним из наиболее эффективных направлений в повышении качества и снижении себестоимости продукции является применение технологии раздельной уборки льна.

Вместе с тем практическое использование раздельной уборки льна сдерживается отсутствием надежных машин для ее реализации и зависимостью этой технологии от погодных условий. Сложность механизации технологических процессов обусловлена многообразием и случайным характером условий функционирования технических средств. Решение проблемы обоснования и разработки процессов и машин для реализации технологии раздельной уборки льна-долгунца актуально и имеет важное народнохозяйственное значение.

Цель исследования. Повышение эффективности технологии раздельной уборки льна-долгунца путем обоснования и разработки технологических процессов и машин, направленных на повышение качества и увеличение сбора льнопродукции.

Объект исследования. Технологические процессы машин для реализации технологии раздельной уборки льна-долгунца.

Предмет исследования. Параметры технологических процессов и режимов функционирования рабочих органов машин для реализации технологии раздельной уборки льна-долгунца.

Методы исследования. Основаны на применении современных технических средств и измерительных приборов; использованы системный подход, математическое моделирование процессов, методы математической статистики, корреляционно-спектрального анализа и аналитический аппарат.

Научная новизна. Разработаны технологические процессы и средства механизации, повышающие качество и увеличивающие сбор продукции при реализации технологии раздельной уборки льна-долгунца, получена теоретическая закономерность движения стеблей льна в процессе их принудительного расстила на поверхность поля, аналитически спрогнозированы возможные потери семенной части урожая при работе гребневого очесывающего аппарата подборщика-очесывателя, получены аналитические зависимости для расчета основных параметров устройства ориентирования ленты льна перед очесывающим аппаратом, разработана теория комлеподбивания стеблей в ленте при ее оборачивании с учетом случайного характера входных процессов, а также номограмма для определения основных параметров комлеподбивающего конвейера комлеподбивателя наклонного типа, получены математические модели технологических процессов раздельной уборки льна и результаты производственных испытаний технологии раздельной уборки льна-долгунца с применением разработанных технологических процессов и комплекса машин для их реализации.

Практическая ценность работы. Получены технологические процессы плющения стеблей растений, расстила ленты льна на поверхность поля, ориентирования ленты льна перед очесывающим аппаратом, комлеподбивания стеблей в ленте при ее оборачивании, обеспечивающие повышение эффективности технологии раздельной уборки льна-долгунца, новые рабочие органы и машины для их реализации. Практические рекомендации по применению интегральной комбинированной технологии с использованием технологии раздельной уборки.

Результаты производственных испытаний технологии раздельной уборки льна-долгунца свидетельствуют о высокой эффективности разработанных технологических процессов и машин для их реализации.

На защиту выносятся. Технологические процессы и средства механизации, повышающие качество и увеличивающие сбор льнопродукции при реализации технологии раздельной уборки льна-долгунца, теоретические закономерности и математические модели технологических процессов, результаты производственных испытаний технологии раздельной уборки льна-долгунца.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Высокоэффективные технологии производства и переработки льна» (Вологда, 2002 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационная привлекательность льняного комплекса России» (Вологда, 2003 г.), Международных и Межвузовских научно-практических конференциях Ивановской ГСХА (1991, 1993, 1995 гг.), Костромской ГСХА (1993-1995, 1997-2000, 2002, 2004, 2005 гг.), Ярославской ГСХА (1994, 2002, 2004 гг.), заседании Общероссийского научного семинара по «Научным проблемам агропромышленной переработки лубоволокнистых материалов» (Кострома, 2004 г.). Результаты работы демонстрировались на Всероссийских выставках-ярмарках «Российский лен» (Вологда, 1998-2006 гг.), Российских агропромышленных выставках «Золотая осень» (Москва, ВВЦ, 2000-2005 гг.). Работа удостоена Первой премии администрации Костромской области (2000 г.), отмечена Серебряной медалью и Дипломом II степени 6-ой Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (Москва, ВВЦ, 2004 г.), Золотой медалью и Дипломом I степени 7-ой Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (Москва, ВВЦ, 2005 г.).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в конструкциях макетных образцов машин для раздельной уборки льна и переданы в ВНИПТИМЛ, ОАО «Костромское СКБТМ», ОАО «Нагорьевская сельхозтехника», ОАО «Тверьсельмаш», ОАО «Бежецксельмаш» для разработки технической документации и изготовления теребилки-плющилки льна ТПЛ-4К, подборщика-очесывателя ПОЛ-1,5К, оборачивателя-комлеподбивателя ОКП-1,5К и устройства для принудительного расстила ленты к льноуборочным комбайнам ЛК-4А.

Результаты исследований по теме диссертации апробированы в колхозе «Родина» Красносельского района, ОАО им. М. Горького Нерехтского района и СПК «Расловское» Островского района Костромской области. Механизированные комплексы, изготовленные в ОАО «Костромское СКБТМ», ОАО «Нагорьевская сельхозтехника» и ОАО «Бежецксельмаш», работают в Костромской, Ярославской, Вологодской, Новосибирской, Нижегородской, Тверской областях, на Алтае и Республике Беларусь. В общей сложности указанными организациями выпущено: 61 подборщик-очесыватель ПОЛ-1,5К, 31 теребилка-плющилка ТПЛ-4К и 16 оборачивателей-комлеподбивателей ОКП-1,5К.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано сорок пять печатных работ, из них семь -- в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одна монография, получены двенадцать патентов РФ на изобретения и одно свидетельство РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и списка литературы. Работа изложена на 288 страницах компьютерного текста, включая 27 таблиц, 94 рисунка. Список литературы включает 212 источников. В пяти приложениях приведены копии патентов на изобретения, документы, отражающие уровень практического использования результатов исследований, копии протоколов приемочных испытаний Белорусской и Калининской машиноиспытательных станций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, раскрываются научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» с учетом выполненного анализа установлена необходимость в обосновании и разработке технологических процессов и машин для раздельной уборки льна-долгунца, обеспечивающих повышение качества и увеличение сбора льнопродукции.

Научной основой для изучения существующих технологий уборки льна и наиболее значимых технологических процессов и машин для их реализации послужили труды М.М. Ковалева, В.Г. Черникова, М.И. Шлыкова, М.М. Труша, М.Н. Шрейдера, В.П. Понажева, Ю.Ф. Лачуги, Н.И. Кленина, Б.А. Позднякова, И.М. Махова, Н.А. Смирнова, Н.Ф. Диденко., Л.В. Родионова, Г.А. Хайлиса, В.М. Луценко, Н.Н. Быкова, В.И. Смирнова, И.В. Баранова, А.Б. Лурье, В.Г. Озерова, Б.П. Можарова, В.И. Соснова, В.Н. Бухаркина, В.Г. Жукова, Ф.М. Карпунина, П.Ф. Прибыткова, Е.Л. Пашина, Р.А. Ростовцева, А.А. Чернышкова, И.П. Карпец, М.М. Боярченковой, И.Н. Болотова, П.К. Кондрашука, Р.И. Моториной, В.Н. Аносова, А.М. Ипатова и др.

Анализ научных исследований показал, что наиболее эффективным направлением в повышении рентабельности льноводства является интегральная комбинированная технология, которая предполагает начинать уборку в ранней желтой спелости льна по раздельной технологии (до 70% площадей) для получения высококачественного волокна с подключением в желтой спелости комбайновых агрегатов для получения семенного материала.

Наибольшее влияние на показатели работы льноуборочных машин оказывают условия их функционирования, которые во многом обусловлены качеством разостланных лент стеблей. Из-за наличия различных дефектов лент потери стеблевой массы при комбайновой уборке могут достигать 19 %, а при раздельной технологии к тому же еще добавляются потери семенной части урожая (так же до 19 %). Большинство указанных дефектов возникает по вине пассивно работающего расстилочного щита льноуборочных машин.

В условиях росяной мочки процесс вылежки стебля в тресту происходит под воздействием грибной и бактериальной микрофлоры, активное развитие которой возможно только на мертвом, то есть высушенном стебле. Пашин Е.Л. констатирует, что если подсушенные стебли становятся трестой за 15…30 дней, то без подсушки продолжительность вылежки увеличивается до 40 дней.

Одним из наиболее эффективных путей «умерщвления» растений является их плющение при выполнении уборочных процессов. Исследованиями Н.Н. Быкова, Р.И. Моториной, М.М. Боярченковой, М.М. Ковалева установлено, что плющение стеблей льна при уборке комбайнами обеспечивает повышение качества волокнистой продукции и сокращает сроки ее приготовления. Вместе с тем, результаты исследований, проведенных в Волынской области в 1994…1996 годах Г.А. Хайлисом, показали, что эти преимущества могут быть распространены также и на раздельную уборку. Однако, процесс плющения стеблей при реализации указанной технологии до сих пор не исследован.

Основной фазой раздельной уборки льна-долгунца является отделение семенной части урожая от стеблей подборщиками-очесывателями. Исследованиями этого технологического процесса в льноуборочных комбайнах занимались М.И. Шлыков, П.Ф. Прибытков, Г.А. Хайлис, Б.П. Можаров, В.Н. Бухаркин, А.Б. Лурье, В.Г. Озеров, Н.Н. Быков. Они установили, что чистота очеса и отход стеблей в путанину во многом зависят от взаимного расположения очесывающего аппарата и ленты льна. Однако, вопрос оптимальности взаимного расположения указанных объектов нуждается в дополнительном исследовании и обосновании применительно к подборщику-очесывателю.

Растянутость или продольный сдвиг стеблей льна относительно друг друга в ленте (слое) формируется под воздействием рабочих органов льноуборочных машин. По данным Черникова В.Г. повышенная растянутость стеблей в слое приводит к снижению выхода длинного волокна на 5…6 %. Основным направлением в решении указанной проблемы является введение процесса комлеподбивания слоя стеблей в мобильных средствах механизации при проведении уборочных операций в тот период времени, когда стебли менее повреждены и не перепутаны. Осуществлять комлеподбивание целесообразно в потоке стеблевой массы наклонным комлеподбивателем проходного (конвейерного) типа при выполнении оборачивания лент льна в процессе приготовления тресты.

Условия функционирования оборачивателей и физико-механические свойства стеблевой массы отличаются существенной неоднородностью. Кроме того, в процессе подбора лент льна с поверхности поля имеют место случайные ошибки копирования ленты подбирающим рабочим органом. Следовательно, при входе в комлеподбиватель оборачивателя процесс изменения положения слоя стеблей относительно комлеподбивающей поверхности (КП) будет носить так же случайный характер. Причем от того, как подана лента стеблей в комлеподбиватель, зависит количество нанесенных по комлям ударов.

В соответствии с вышеизложенным, для более эффективного устранения растянутости стеблей в ленте при ее оборачивании необходимо определить оптимальную скорость и количество ударов КП по комлевой части слоя, разработать конструкцию, обосновать параметры и режимы работы наклонного комлеподбивателя конвейерного типа. При этом следует учесть случайный характер входных процессов.

В результате проведенного анализа состояния вопроса сформулированы следующие основные задачи исследований:

- обосновать технологические процессы и машины, обеспечивающие повышение качества и увеличение сбора льнопродукции;

- разработать технические решения средств механизации для реализации технологических процессов раздельной уборки льна;

- разработать теоретические основы применения технологических процессов принудительного расстила лент стеблей, ориентирования ленты льна перед очесывающим аппаратом, комлеподбивания стеблей в ленте при ее оборачивании;

- исследовать технологические процессы с целью обоснования основных параметров конструкций и режимов работы плющильного аппарата, устройства для ориентирования ленты льна перед очесывающим аппаратом, устройства для комлеподбивания стеблей в ленте;

- определить экономическую и энергетическую оценку технологии раздельной уборки льна-долгунца с применением новых технологических процессов и машин для их реализации.

Решение перечисленных задач исследований, направленных на повышение эффективности технологии раздельной уборки льна, на наш взгляд, вносит значительный вклад в развитие отрасли льноводства агропромышленного сектора экономики РФ.

Во второй главе «Обоснование выбора схем и рабочих органов машин для реализации технологии раздельной уборки льна-долгунца» приведены результаты поиска технологических схем и рабочих органов, на основании которых в Костромской ГСХА создан комплекс машин для реализации раздельной уборки льна-долгунца, включающий теребилку-плющилку ТПЛ-4К, подборщик-очесыватель ПОЛ-1,5К и оборачиватель-комлеподбиватель ОКП-1,5К. Все машины имеют рабочие органы, которые позволят повысить качество и сбор урожая, а также снизить зависимость раздельной уборки от погодных условий.

Например, теребилка ТПЛ-4К имеет теребильную часть от льноуборочного комбайна ЛК-4А, что делает возможность применения первой фазы раздельной уборки по погодным условиям на уровне применимости комбайнового способа. ТПЛ-4К содержит устройство для плющения комлевой части стеблей, что повысит качество волокнистой продукции и сократит сроки ее приготовления. Предложен новый способ плющения, суть которого заключается в переориентации стебля между плющильными вальцами, вращающимися с разными окружными скоростями, что наносит большее количество повреждений кутикулы и слоя воска, предохраняющих растение от испарения влаги. Теребилка ТПЛ-4К в полтора раза легче льноуборочного комбайна ЛК-4А (без учета тракторного прицепа), а значит, она более применима на увлажненных полях.

В конструкции подборщика-очесывателя ПОЛ-1,5К применен очесывающий аппарат гребневого типа. Такие аппараты широко проверены на льне любой спелости и влажности. Использование указанного рабочего органа приближает возможность применения раздельной уборки по погодным условиям к уровню применимости комбайновой технологии. Устройство для ориентирования ленты льна (далее, ориентирующее устройство - ОУ), кинематически связанное с передвижным очесывающим аппаратом, позволяет снизить требования к точности копирования ленты при ее подборе, увеличить сбор урожая и повысить производительность подборщика-очесывателя.

Оборачиватель ОКП-1,5К кроме оборачивания лент льна производит комлеподбивание в них стеблей, что увеличивает выход длинного волокна при переработке тресты на льнозаводе.

Следует отметить, что с целью устранения выявленных дефектов лент все машины указанного комплекса оснащены устройствами для принудительного расстила (УПР).

В третьей главе «Поисковые исследования» приведены методика и результаты исследований точности копирования ленты льна в ее плоскости при подборе с поверхности поля подбирающим рабочим органом, расположенным сзади трактора или сбоку по ходу движения агрегата, а также результаты исследований скорости и количества ударов при комлеподбивании, необходимых для устранения излишней растянутости стеблей в слое.

В табл. 1 представлены числовые характеристики точности копирования ленты при различных способах его осуществления и при работе двух различных схем подборщиков-очесывателей.

Таблица 1

Точность копирования ленты подбирающим барабаном

Способ копирования	Схема с задним расположением подбирающего аппарата	Схема с боковым расположением подбирающего аппарата
	mТ, см	уТ, см	mТ, см	уТ, см
По средине	-5,80…+6,52	4,31…6,53	-7,60…+8,53	3,97…5,21
По вершинам	-6,00…+11,4	5,08…6,35	-9,20…+7,57	5,78…7,50
По комлям	-8,90…+4,04	4,31…8,14	-11,00…+9,82	4,71…8,82

Точность копирования во всех случаях имеет значительные колебания (у_Т = 3,97...8,82 см), которые обусловлены индивидуальными способностями механизатора реагировать на все встречающиеся изгибы ленты льна. В большинстве случаев копирование осуществляется с систематической ошибкой y_с, которая характеризуется математическим ожиданием m_Т исследуемого процесса и колеблется в пределах от -11,0 до +11,4 см. Следует также отметить, что копирование посредине ширины ленты осуществляется несколько точнее, чем в двух других случаях. Данный факт объясняется тем, что механизатор при выборе направления подбирающего рабочего органа на средину ленты визуально ориентируется сразу по трем ординатам: верхушечной, комлевой и по средней частям ленты. Тогда как в других случаях ориентирование осуществляется только по одной ординате -- или по вершинной части ленты, или по комлевой.

На основании изложенного, с целью повышения технологической надежности машины и уменьшения необходимого диапазона взаимного перемещения очесывающего аппарата и ориентирующего устройства, копирование при подборе ленты льна рекомендуется выполнять посредине ширины ленты.

Анализ результатов исследований скорости и количества ударов при комлеподбивании, необходимых для устранения излишней растянутости стеблей в слое, показывает, что уменьшение растянутости интенсивно происходит при первых двух…трех ударах. При каждом последующем ударе увеличивается количество стеблей, участвующих в комлеподбивании, и поэтому интенсивность снижения растянутости стеблей в ленте уменьшается. При этом скорость удара оказывает заметное влияние на повышение эффективности комлеподбивания. Наибольший эффект наблюдается при скорости удара V = 2,43 м/c. Если обеспечить такой режим работы комлеподбивающего механизма, то полное устранение растянутости стеблей в слое по комлям произойдет после совершения всего лишь трех ударов. Максимальное количество воздействий (n = 8 ударов) для получения указанного эффекта по результатам исследований наблюдалось при скорости нанесения ударов V = 1,4 м/с. Однако при работе комлеподбивателя на этом, не самом действенном, режиме, требуемые агротехникой значения относительной растянутости слоя (l--= 1,2) могут быть достигнуты за два удара.

Таким образом, для устранения излишней растянутости стеблей в ленте при ее оборачивании достаточно нанести по комлевой части слоя два…три удара комлеподбивающей поверхностью со скоростью 1,4…2,43 м/с.

В четвертой главе «Теоретические предпосылки новых технологических процессов раздельной уборки льна» рассмотрены аналитические зависимости влияния случайных процессов при работе теребилки и подборщика-очесывателя на полноту отделения семян от стеблей, обоснована необходимость применения ориентирующего устройства, представлены теоретические исследования по определению рациональных параметров ОУ, разработана теория процесса комлеподбивания в конвейерном комлеподбивателе наклонного типа, теоретически обоснована необходимость увеличения сил трения между стеблевой массой и транспортирующим ремнем УПР.

1. Влияние случайных процессов при работе теребилки и подборщика-очесывателя на полноту отделения семян от стеблей. Полнота отделения семенной части урожая от стеблей зависит от того, насколько случайный процесс изменения ширины зоны очеса ленты льна B_Л(t) согласован с активной зоной B_К гребневого очесывающего аппарата. При этом для полного отделения семенных коробочек должно выполняться условие:

.(1)

Применительно к подборщику-очесывателю с неподвижным очесывающим аппаратом ширина зоны очеса ленты льна определяется по формуле:

.(2)

где , , -- процессы изменения ширины зоны очеса, обусловленные, соответственно, колебаниями размера b_a зоны расположения коробочек в стеблестое льна, растянутости b_л стеблей в ленте и ординаты y_в расположения вершин стеблей на входе в очесывающий аппарат, определенными неточностью копирования ленты льна подбирающим рабочим органом.

Известно, что наиболее распространенным распределением, хорошо описывающим большинство физических процессов, наблюдаемых при работе сельскохозяйственных машин, является нормальное распределение Гаусса. Анализируя формулу (2) и принятое допущение, становится очевидным то, что мы имеем дело с композицией нормальных законов (рис. 1).

Рис. 1. Схема композиции нормальных законов распределения ширины зоны очеса ленты льна

Отсюда плотность вероятности распределения ширины зоны очеса будет определена по выражению:

.(3)

Однако, для определения потерь семян П_сем. необходимо знать количество семенного материала, оставшегося за пределами активной зоны очесывающего аппарата.

Очевидно, что и распределение количества семенных коробочек К_с по ширине зоны очеса в каждом конкретном поперечном сечении ленты льна также будет соответствовать нормальному закону распределения (рис. 2).

Рис. 2. Распределение семенных коробочек в ленте льна по ширине зоны очеса

Отсюда, ординаты основных параметров этого процесса будут находиться по выражениям:

, ,(4)

где n, согласно правилу «трех сигм» изменяется в пределах от 0 до 3.

Для уменьшения потерь семян очесывающий аппарат должен быть всегда сориентирован таким образом, чтобы проекции середины его активной зоны и центра рассеивания количества семенных коробочек совпадали (см. рис. 3 а).

Рис. 3. Геометрическое представление потерь семян от несоответствия и

В этом случае вероятные потери семян - П_сем., геометрически выраженные заштрихованными площадями, аналитически можно представить зависимостью, которая характеризуется вероятностью Р попадания случайной величины Кс, подчиненной нормальному закону, на участок от б до в:

П_сем.=1 - Р(К_С),(5)

где б и в -- ординаты проекций границ активной зоны очесывающего аппарата на кривую f(К_с).

Результаты исследований точности копирования ленты льна подбирающим аппаратом подборщика-очесывателя показали, что в большинстве случаев присутствует систематическая ошибка ±y_с (см. рис. 3 б,в).

Выражаясь через стандартную функцию распределения Ф(Z), формула (5) примет следующий вид:

.(6)

Полученные в результате расчета числовые значения дают основания считать, что при работе подборщика-очесывателя потери семян от несоблюдения условия (1) могут достигать 11 и более процентов.

Наибольшая часть потерь обусловлена случайными отклонениями подбирающего аппарата от ленты льна. При этом снизить указанные потери семян, возможно путем применения в конструкции подборщика-очесывателя устройства для ориентированной подачи ленты льна в очесывающий аппарат. Кроме того, повысить точность копирования можно формированием прямолинейных лент льна при работе теребилки, оборудованной УПР.

2. Оценка возможности исправления ошибок копирования подбираемой ленты льна при раздельной уборке. Принцип действия ориентирующего устройства основан на смещении стеблевой массы под действием силы тяжести по наклонной поверхности стола 1 до касания комлевой частью ориентирующего конвейера 4 в процессе транспортирования ленты льна от подбирающей части к очесывающему аппарату (см. рис. 4).

Рис. 4. Схема сил, действующих на стебель в ОУ

Основное требование, предъявляемое к ОУ -- смещение стеблей, достаточное для исправления ошибок копирования кривизны ленты льна, полученных в результате неточного ее подбора с поверхности поля.

Рассматривая схему сил, действующих на стебли, при равномерном перемещении их лопатками 3, закрепленными на поверхности конвейеров 2, и проецируя эти силы на оси X и Y, получили систему дифференциальных уравнений:

(7)

После преобразований проекция ускорения стебля на ось Y запишется в виде нелинейного дифференциального уравнения второго порядка:

.(8)

где f_к, f_с, f_л -- соответственно, коэффициенты трения скольжения стеблей по резиновой поверхности конвейеров, по неподвижной поверхности стола и по поверхности лопаток.

Результаты решения уравнения (8) представлены графически на рисунках 5 и 6.

При этом ширину конвейеров измеряли в долях единицы от ширины стола ориентирующего устройства.

В одном случае в качестве конвейеров можно использовать колковый транспортер (h=0), в другом -- вся поверхность стола является транспортирующим конвейером (h=1).

В связи с тем, что значения f_к, f_с, f_л мало отличаются друг от друга, то для расчетов использовали обобщенный коэффициент трения -- f, изменяющийся в пределах от 0,5 до 1,1.



Рис. 5. Зависимость смещения Y несцепленных стеблей от скорости движения конвейеров при a--= 60°: 1 -- при h=1 и f=0,5; 2 -- при h=0 и f=0,5; 3 -- при h=1 и f=1,1; 4 -- при h=0 и f=1,1

Рис. 6. Зависимость смещения Y несцепленных стеблей от угла наклона стола ориентирующего устройства при f=0,5:1 -- при h=1 и V_к=1,5 м/с; 2 -- при h=0 и V_к=1,5 м/с; 3 -- при h=1 и V_к=2,25 м/с; 4 -- при h=0 и V_к=2,25 м/с; 5 -- при h=1 и V_к=3,0 м/с; 6 -- при h=0 и V_к=3,0 м/с;

Установлено, что для повышения эффективности работы ориентирующего устройства необходимо уменьшать скорость конвейеров до 1,5 м/с, а угол наклона стола увеличивать до 60є. Сопоставляя результаты исследований точности копирования (см. табл. 1) с величиной смещения Y стеблей (рис. 5, 6), видно, что выбранная для расчетов длина конвейеров 1 м достаточна для исправления всех возможных ошибок копирования кривизны ленты льна. Результаты исследований можно также использовать при проектировании конструкции конвейерного комлеподбивателя наклонного типа оборачивателя-комлеподбивателя.

3. Уменьшение растянутости стеблей в ленте при ее оборачивании путем применения конвейерного комлеподбивателя наклонного типа (рис. 7).

Рис. 7. Схема процесса комлеподбивания: 1 - ведущий шкив; 2 - ролики активаторов; 3 -активаторы; 4 - комлеподбивающая поверхность; 5 - ведомый ролик; 6 - транспортирующие конвейеры; 7 - слой стеблей

При работе оборачивателя-комлеподбивателя в многообразных условиях функционирования стеблевая масса может иметь различные физико-механические свойства, которые случайным образом влияют на характер поведения слоя в процессе комлеподбивания в нем стеблей. Это означает, что контакт слоя с КП может начаться с различной скоростью в любой момент времени -- t_К после входа в комлеподбиватель и после каждого удара независимо от фазы поворота активатора. Очевидно, что случайная величина времени t_К начала каждого контакта слоя стеблей с КП распределена с равномерной плотностью -- на всем участке времени любого i-го воздействия. Для оценки активности процесса комлеподбивания необходимо определить вероятность нанесения эффективных ударов КП по комлям стеблей:

,(9)

где -- длительность благоприятной для удара фазы движения КП, когда направления ее движения и скорости противоположны направлению движения слоя стеблей под действием силы тяжести; -- длительность любого полного i-го движения КП.

Геометрически эта вероятность представляет собой не заштрихованную площадь на рис. 8.

Рис. 8. Схема к определению вероятности контакта комлевой части слоя с КП в благоприятную для удара фазу одного полного i-го движения КП

При работе предложенного конвейерного комлеподбивателя наклонного типа активаторы могут содержать 1, 2, 3…m роликов. В результате проведенных расчетов получены графики движения и скорости любой точки М комлеподбивающей поверхности под воздействием одно-, двух- и трехроликовых активаторов, для всех случаев определены значения вероятностей нанесения эффективных ударов с учетом длительностей благоприятной и неблагоприятной для удара фаз движения КП, обоснована целесообразность ее наклона в совокупности с двухроликовой конструкцией активаторов.

На основе проведенных расчетов с использованием экспериментальных данных, полученных в результате исследований, разработана номограмма для определения оптимальных параметров и режимов работы комлеподбивающего конвейера (см. рис. 9).

Рис. 9. Номограмма для определения радиуса R и угловой скорости щ вращения активатора, частоты х и количества n ударов КП в зависимости от излишней абсолютной растянутости Дл стеблей в ленте: А_н - размах колебаний КП, необходимый для устранения излишней растянутости Дл; А_В - возможный размах КП с учетом требуемых скоростей ударов

В результате получены следующие значения:

R=0,043…0,048 м,

щ=27,95…46,21 рад./с,

х=8,9…14,7 удар./с

n=5,6…9,3 удар.,

= 1,4…2,43 м/с,

= 0,565…0,588,

4. Исследование процесса принудительного расстила ленты. Для устранения дефектов лент стеблей льна в Костромской ГСХА предложено устройство для принудительного расстила одноременного типа, которое может быть установлено на все машины для раздельной уборки, а также на льноуборочные комбайны.

При перемещении ленты растений таким устройством по расстилочному столу траектория центра тяжести стеблей на участке, где происходит их поворот, представляет дугу окружности (см. рис. 10).

Рис. 10. Схема сил, действующих на ленту льна при ее принудительном расстиле

На протяжении всего пути ленты со стороны транспортера на стебли действуют удельные силы р, осуществляющие их перемещение, удельные силы трения , направленные против движения и удельные силы тяжести G. Расположим оси координат x, y, z так, чтобы плоскость xoy

лежала в плоскости стола, и спроецируем на них все силы, действующие на ленту при ее движении:

(10)

.(11)

В результате решения указанной системы уравнений получены следующие условия транспортирования ленты по заданной траектории:

,(12)

.(13)

Графический анализ представленных зависимостей показал (см. рис. 11), что при небольшой влажности стеблей (20…32 %) лента льна будет перемещаться по расстилочному столу, но при этом будет происходить ее смещение относительно заданной траектории, так как сил трения, действующих перпен-

дикулярно движению ленты недостаточно для ее удержания. Это может привести к перекосу растений в ленте и увеличению ее искривлений.

______- в направлении движения ленты - P;

_ _ _ - перпендикулярно направлению движения ленты-Р'

Рис. 11. Силы, действующие на ленту льна при расстиле, в зависимости от ее перемещения:

При повышенной влажности растений (до 50 %) из-за увеличения коэффициентов трения лента льна не смещается относительно заданной траектории, но при этом сил трения стеблей с транспортирующим ремнем недостаточно для перемещения растений. Очевидно, что для нормальной работы УПР недостаточно гладкой рабочей боковой кромки ремня.

Поэтому для удержания стеблей на заданной траектории при их транспортировании к поверхности поля необходимо увеличивать силу трения между стеблями льна и

транспортирующим ремнем путем прижатия к нему стеблевой массы и нанесения рифлей на рабочей кромке указанного ремня.

В пятой главе «Экспериментальные исследования» приведены обоснования необходимости плющения стеблей льна-долгунца при раздельной уборке, ориентирования ленты льна перед подачей ее в очесывающий аппарат, представлена оценка величины смещения ленты льна в ориентирующем устройстве подборщика-очесывателя ПОЛ-1,5К, обоснованы основные параметры и режимы работы наклонного комлеподбивателя конвейерного типа оборачивателя ОКП-1,5К, изложены методика и результаты корреляционно-спектрального анализа процесса ориентирования ленты льна в подборщике-очесывателе ПОЛ-1,5К, методика и результаты экспериментальных исследований влияния принудительного расстила ленты стеблей на параметры её кривизны при раздельной уборке льна-долгунца.

1. Обоснование необходимости плющения стеблей льна-долгунца при его раздельной уборке. При производственных проверках технологии раздельной уборки выявлено, что комлевая часть стеблей, расплющенная вальцами при тереблении растений, вылеживалась значительно быстрее. Объясняется это тем, что вершины повреждаются при очесе семенных коробочек спустя некоторое время (5…10 дней) после плющения комлевой части, в которой к этому моменту уже активно происходит процесс вылежки. Кроме того, при раздельной уборке очес семенных коробочек производится, как правило, на подсушенном льне, стебли которого имеют бульшую жесткость и меньший коэффициент трения. Следовательно, можно предположить, что повреждений, наносимых гребневым очесывающим аппаратом, явно недостаточно -- нужно плющить весь стебель, комли в первую фазу уборки, а вершины во вторую при помощи плющильных вальцов, вращающихся с разными окружными скоростями.

Для реализации указанных выше предложений разработаны и изготовлены плющильные аппараты в компоновке с устройством для принудительного расстила одноременного типа, которые установлены на теребилку-плющилку ТПЛ-4К и подборщик-очесыватель ПОЛ-1,5К.

Целью экспериментальных исследований является повышение выхода и качества длинного волокна путем применения новых технологических процессов плющения стеблей при раздельной технологии уборки льна.

В результате расчета коэффициентов регрессии получена математическая модель, характеризующая зависимость проценто-номера PN1 длинного волокна от усилия сжатия P, разности окружных скоростей ДV вращения плющильных вальцов и плотности с стеблевой массы:

(14)

Установлено, что максимальный проценто-номер волокна получен из тресты, стебли в которой расплющены с усилием сжатия вальцов Р=2,5 кН при средних значениях плотности стеблевой массы и разности окружных скоростей вращения плющильных вальцов равной V=0,214…0,428 м/с.

Для определения влияния способов уборки и режимов плющения на выход и качество волокна проведен анализ по четырем вариантам технологий (см. табл. 2).

Таблица 2

Проценто-номер волокна в зависимости от технологий уборки льна-долгунца

Комбайновая технология без плющения	Раздельная технология
	без плющения	с плющением комлевой части	с плющением всего стебля
193,0	201,6	225,1	245,4

Исследования показали, что для повышения качества и выхода длинного волокна следует применять технологию раздельной уборки льна с плющением всего стебля на режимах, значения которых, указаны выше.

2. Обоснование необходимости ориентирования ленты льна перед подачей ее в очесывающий аппарат. Для выявления путей снижения потерь льнопродукции гребневым очесывающим аппаратом проведены экспериментальные исследования, в задачи которых входило: определение влияния ширины зоны расположения коробочек в_а в ленте, плотности с стеблевой массы и ординаты y_в расположения вершин растений в ленте относительно зажимного транспортера очесывающего аппарата на качество очеса и нахождение их оптимальных значений с точки зрения минимизации потерь стеблей - П_ст и семян - П_сем.

В результате проведенных исследований получены математические модели исследуемых процессов:

,(15)

.(16)

Для определения оптимальных значений исследуемых факторов решалась задача нахождения компромисса между причинами возникновения двух видов потерь -- стеблей и семян. Решение компромиссной задачи показало, что поставленное выше условие выполняется при в_а=30 см и у_в=53 см. При этом достигается почти 100 % чистота очеса и отход стеблей в путанину не более 3 %.

Реализовать данное условие при работе подборщика-очесывателя можно путем исправления случайных ошибок копирования ленты льна при помощи ориентирующего устройства, кинематически связанного с передвижным очесывающим аппаратом. С этой же целью необходимо создание прямолинейных лент за счет их принудительного расстила при работе теребилки ТПЛ-4К. Сформировать компактную зону расположения коробочек в ленте () можно только за счет выполнения всех предшествующих технологических операций на высоком агротехническом уровне.

Полученные результаты соответствуют требованиям условия (1) и подтверждают достоверность теоретических выводов о влиянии случайных процессов при работе теребилки и подборщика-очесывателя на полноту отделения семян от стеблей.

3. Оценка величины смещения ленты льна в ориентирующем устройстве. Цель экспериментальных исследований -- повышение эффективности исправления ошибок копирования ленты льна подбирающим рабочим органом перед подачей ее в очесывающий аппарат подборщика-очесывателя.

В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входило обоснование рациональных параметров и режимов работы ориентирующего устройства подборщика-очесывателя.

В результате получено регрессионное уравнение величины смещения Y ленты льна в ОУ под действием силы тяжести в зависимости от угла наклона стола ориентирующего устройства - б, скорости его конвейеров - V_K и влажности стеблевой массы - W:

.(17)

Сопоставляя результаты исследований точности копирования и величины смещения, видно, что для наиболее полного исправления ошибок копирования ориентирующим устройством достаточно того, чтобы длина его конвейеров была равной 1 м со скоростью их движения 2 м/с, а угол наклона стола составлял 65°. Полученные значения параметров ОУ не противоречат результатам теоретических исследований, что указывает на их достоверность.

Важным обстоятельством является также и то, что влияние влажности льна на процесс ориентирования стеблевой массы оказалось малозначительным.

Таким образом, использование ОУ в комплексе с гребневым очесывающим аппаратом в конструкции подборщика-очесывателя позволяет качественно выполнять технологический процесс по реализации второй фазы технологии раздельной уборки, как на сухом, так и на влажном льне, то есть делает этот способ уборки менее зависимым от погодных условий.

4. Обоснование основных параметров и режимов работы наклонного комлеподбивателя конвейерного типа оборачивателя ОКП-1,5К. В результате теоретических изысканий получен широкий диапазон значений частоты ударов - х и поэтому указанный параметр требует дополнительного экспериментального обоснования.

В ходе активного наблюдения при проведении опробования макетного образца оборачивателя-комлеподбивателя ОКП-1,5К визуально замечено некоторое повышение интенсивности комлеподбивания при движении агрегата на пониженных передачах трактора со скоростью до 3…5 км/ч. При работе на таких режимах снижается плотность (стебл./м слоя) обрабатываемого слоя стеблей. Предложена рабочая гипотеза, суть которой заключается в том, что плотность стеблевой массы влияет на интенсивность комлеподбивания.

Для обоснования частоты х ударов комлеподбивающей поверхности и для проверки рабочей гипотезы проведены экспериментальные исследования, целью которых являлось повышение интенсивности комлеподбивания стеблей при работе оборачивателя-комлеподбивателя ОКП-1,5К.

В соответствии с этой целью задачей экспериментальных исследований было определение влияния факторов и х на изменение растянутости стеблей в ленте - л, %.

В результате эксперимента получена математическая модель исследуемой зависимости:

.(18)

Экспериментально установлено, что максимальный эффект от комлеподбивания достигается при частоте колебаний КП - девять ударов в секунду. комлеподбивающий льносемя гребневой конвейер

Отмечено также, что при работе на высокоурожайных льнах не следует стремиться работать на повышенных скоростях движения агрегата, так как связанное с этим увеличение плотности стеблевой массы приводит к снижению эффективности комлеподбивания. Отмеченный факт объясняется возрастанием сил трения из-за увеличения количества стеблей, участвующих в процессе комлеподбивания, что подтверждает результаты поисковых исследований.

5. Корреляционно-спектральный анализ процесса ориентирования ленты льна в подборщике-очесывателе ПОЛ-1,5К. Исследование процесса ориентирования ленты льна в подборщике-очесывателе ПОЛ-1,5К имело целью повышение активности работы ориентирующего устройства.

В результате корреляционно-спектрального анализа процессов изменения ординаты вершинной части ленты льна y_в(t) на входе и выходе ОУ установлено следующее (см. табл. 3). Уменьшение матожидания процесса y_в(t) с 51,2 см на входе до 45,1 см на выходе ориентирующего устройства указывает на то, что лента льна при движении от подбирающе-оборачивающей части до очесывающего аппарата смещается вниз под действием силы тяжести в среднем на 6 см.

Таблица 3

Основные числовые характеристики процессов y_в(t) (вход) и y_в(t) (выход)

Процессы	yвmax,см	yвmin,см	my,см	уy,см	Vy,%	ф0, с	щ0, с-1	щср, с-1
yв(t) (вход)	75	25	51,2	8,96	17,5	3,0	0…0,28	1,11
yв(t) (выход)	64	25	45,1	6,86	15,2	9,6	0…0,24	1.11

Заметно также отсутствие исправлений грубых отклонений подбирающего аппарата в сторону верхушечной части ленты льна, о чем свидетельствует неизменность параметра y_в^min. Вместе с тем, снижение значений среднего квадратичного отклонения у_y и коэффициента вариации V_y, а также увеличение интервала корреляции ф₀ на выходе из ОУ говорит о том, что происходит уменьшение неравномерности пульсаций исследуемого процесса.

Для оценки спектра дисперсий исследуемых процессов и их частотного состава использовали нормированную спектральную плотность (рис. 12).

Рис. 12. Нормированные спектральные плотности процессов: 1 -- y_в(t) (вход); 2 -- y_в(t) (выход)



Рис. 13. Взаимная нормированная корреляционная функция процессов y_в(t) (вход), y_в(t) (выход)

В частности, видно, что процессы y_в(t) на входе и выходе ОУ -- низкочастотные с максимумами дисперсий на частотах щ₀ = 0...0,28 с^-1. Частота среза процессов в обоих случаях щ_ср = 1,11 с^-1. Вместе с тем, максимумы дисперсий процесса y_в(t) на выходе из ОУ уменьшились в 2...2,5 раза, сместившись в сторону более низких частот по сравнению с y_в(t) на входе, то есть произошла некоторая фильтрация тех колебаний, которые возникли в результате неточного копирования ленты льна подбирающим аппаратом. За пределами фильтрации остались спектры дисперсий, имеющие весьма низкий частотный состав от 0 до 0,064 с^-1, и высокочастотную составляющую -- от 0,68 с^-1 и выше.

Характер взаимной нормированной корреляционной функции с_xy(ф) (см. рис. 13) говорит о том, что между входным и выходным процессами y_в(t) существует тесная линейная связь с максимальным коэффициентом взаимной корреляции =0,684, наблюдаемым при ф=0. Отсюда следует, что влияние ОУ на изменение ординат вершин y_в ленты льна недостаточно эффективное.

Для активизации процесса работы ориентирующего устройства необходимо понизить скоростной режим всех его конвейеров путем применения подбирающего барабана со ступенчатой рабочей поверхностью. Для отработки тех отклонений, которые произошли в результате подбора ленты с поверхности поля за ее вершины, входную часть ориентирующего конвейера требуется опустить на 150 мм ниже его выходной части.

Такие решения позволили активизировать работу ОУ (см. табл. 4).

Таблица 4

Основные числовые характеристики процессов y_в(t) (вход) и y_в(t) (выход) при работе усовершенствованного ориентирующего устройства

Процессы	yвmax,см	yвmin,см	my,см	уy,см	Vy,%	ф0, с	щ0, с-1	щср, с-1
yв(t) (вход)	72	28	52,0	8,40	16,1	1,7	0…0,20	1,22
yв(t) (выход)	60	37	48,4	3,69	7,6	11,8	0…0,038	1,22

Уменьшение матожидания с 52 см до 48,4 см указывает на то, что лента льна в процессе ее следования в усовершенствованном ОУ получила смещение вниз в среднем на 3,6 см.

Незначительность этого показателя объясняется тем, что за счет применения наклонно расположенного ориентирующего конвейера произошла отработка тех отклонений, которые возникли в результате подбора ленты стеблей за их вершинную часть. Об этом же свидетельствует возрастание y_в^min с 28 см на входе до 37 см на выходе исследуемого рабочего органа.

Противоположные отклонения подбирающего аппарата, то есть в сторону комлевой части, отрабатывались за счет смещения ленты стеблей под действием силы тяжести в направлении наклона стола. Активизация этого смещения произошла благодаря снижению скоростного режима.

Таким образом, в усовершенствованном ОУ исследуемый рабочий процесс осуществляется как за счет смещения стеблевой массы вниз под действием силы тяжести, так и за счет смещения вверх наклонным ориентирующим конвейером.

Положительное влияние этих технических решений на процесс ориентирования подтверждается уменьшением значений среднего квадратичного отклонения у_y с 8,4 до 3,69 см и коэффициента вариации V_y с 16,1 до 7,6 %. Увеличение интервала корреляции ф₀ с 1,77 до 11,8 с позволяет утверждать о значительном уменьшении беспорядочности пульсаций ординаты, то есть характер изменения случайного процесса y_в(t) (выход) стал более плавным.

...