АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ РАСТЯНУТОСТИ ЛЕНТЫ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА ПРИ УБОРКЕ КОМБАЙНОВОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 633.521:631.354.2

АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ РАСТЯНУТОСТИ ЛЕНТЫ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА ПРИ УБОРКЕ КОМБАЙНОВОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ

В. С. АСТАХОВ, С. В. КУРЗЕНКОВ, О. В. ГОРДЕЕНКО

УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», г. Горки, Республика Беларусь, 213407, e-mail: sergkrz@tut.by

(Поступила в редакцию 30.03.2022)

Формирование растянутости ленты льна происходит при проведении каждой операции, проводимой во время уборки льна-долгунца, и чем больше операций производится, тем больше формируется растянутость ленты льна. Наиболее существенное влияние растянутость ленты льна оказывает на процесс отделения (очес, обмолот) семенной части урожая от стеблей. Первым технологическим процессом в уборочном цикле, оказывающем влияние на растянутость, является теребление, которое осуществляется вне зависимости от применяемой технологии. При уборке льна-долгунца по комбайновой технологии процесс отделения семян производится сразу после теребления.

В статье рассмотрены теоретические аспекты формирования растянутости ленты стеблей льна в процессе уборки теребильными аппаратами с продольными криволинейными ручьями типа ЛК-4А и «Двина-4М». Проведен анализ схем взаимодействия рабочих органов со стеблями, определены факторы образующие составляющие растянутости и приведены аналитические зависимости. Установлено, что на величину растянутости ленты льна оказывают влияние конструктивные параметры делителей и теребильного аппарата, а также высота теребления и кинематического показателя работы агрегата.

Получена математическая модель, позволяющая определить растянутость ленты стеблей льна, формируемой в процессе теребления при изменяющихся технологических параметрах, таких как высота стеблестоя (высота стеблей), высота теребления и показателя скоростного режима. Приведен пример реализации методики в математическом пакете MathCad, позволяющий моделировать различные ситуации состояния стеблестоя и скорости движения сельскохозяйственной машины.

Аналитические зависимости, рассмотренные в данной статье, войдут в основу методики расчета и проектирования льнотеребилок и льноуборочных комбайнов с теребильным аппаратом с продольными криволинейными ручьями.

Ключевые слова: лен, теребильный аппарат, растянутость ленты льна, лента стеблей льна, делитель, уборка льна.

The formation of the stretching of the flax tape occurs during each operation carried out during the harvesting offiber flax, and the more operations are performed, the more the stretching of the flax tape is formed. The stretching of the flax tape has the most significant effect on the process of separation (toiling, threshing) of the seed part of the crop from the stems. The first technological process in the harvesting cycle that affects the stretch is pulling, which is carried out regardless of the technology used. When harvesting fiber flax using combine technology, the process of separating seeds is carried out immediately after pulling.

The article deals with theoretical aspects of the formation of the stretching of the flax stem tape in the process of harvesting by pulling devices with longitudinal curvilinear streams of the LK-4A and Dvina-4M types. The analysis of the interaction schemes of the working bodies with the stems was carried out, the factors forming the components of the stretching were determined and analytical dependencies were given. It has been established that the design parameters of the dividers and the pulling apparatus, as well as the height ofpulling and the kinematic index of the unit's operation, influence the magnitude of the stretching of the flax tape.

A mathematical model has been obtained that makes it possible to determine the stretching of the flax stem tape formed in the process ofpulling with changing technological parameters, such as the height of the stem (stem height), the height of the pull and the speed limit. An example of the implementation of the technique in the mathematical package MathCad is given, which allows simulating various situations of the state of the stalk and the speed of the agricultural machine.

The analytical dependencies considered in this article will form the basis of the methodology for calculating and designing flax pullers and flax harvesters with a pulling device with longitudinal curvilinear streams.

Key words: flax, pulling apparatus, stretching of the flax tape, flax stem tape, divider, flax harvesting.

Введение

Получение длинного волокна всегда было главной целью льноводства и наиболее значимым источником прибыли многих сельскохозяйственных предприятий. Анализ состояния льноводческой отрасли показал, что в рейтинге неблагоприятных обстоятельств одно из лидирующих мест занимают чрезмерно большие потери волокнистой части при ее выделении из тресты на льнозаводе [1]. Чаще всего неудовлетворительный результат становится следствием избыточной растянутости стеблей в ленте (слое), которая формируется в результате целого ряда таких производственных факторов, как использование семян низких репродукций, грубые нарушения технологии предпосевной обработки почвы, особенности механических воздействий на стеблестой теребильными секциями и другими рабочими органами льноуборочных машин. Повышенная растянутость стеблей в слое является отрицательным фактором, который при переработке тресты на льнозаводе снижает выход длинного волокна на 5-6 % [2].

Уборка льна-долгунца в Республике Беларусь производится различными технологиями [3, 4], однако для всех их характерны типовые операции, такие как теребление, очес (обмолот) семенной части, вспушивание, оборачивание лент, их прессование. Одним из негативных показателей работы льноуборочной техники является формирование растянутости ленты льна. Растянутость снопа льно-соломы (льнотресты) - отношение средней сноповой длины к средней горстевой длине [3, 5]. Растя-

181

нутость ленты льна усложняет последующие процессы, в частности очес (обмолот) ленты льна, ее прессование и трепание в линии первичной переработки [6]. Как показывает практика, наибольший вред качеству лент стеблей приносят обязательные технологические операции по приготовлению и уборке льнотресты, которые многократно и неминуемо увеличивают растянутость лент льна. Формирование растянутости ленты льна происходит при проведении каждой операции, проводимой во время уборки льна-долгунца, и чем больше операций производится, тем больше формируется растянутость ленты льна [3, 7]. Делители и теребильные ручьи, в процессе уборки льна, работают в самых разнообразных условиях. Наиболее неблагоприятные условия работы делителей и теребильного аппарата возникают при тереблении изреженного и короткостебельного льна в стадии конца зеленой спелости и начале ранней желтой спелости, а также в условиях полегания стеблестоя [5, 6, 8].

Таким образом, очевидно, что растянутость ленты льна увеличивается после проведения каждой операции уборочного процесса. Для качественного анализа влияния рабочего процесса льноуборочной техники необходимо определить составляющие процессы и факторы, оказывающие влияние на растянутость ленты льна. Определить теоретическую зависимость растянутости ленты льна от данных факторов.

Основная часть

Вопросы теории образования растянутости ленты льна в теребильном ручье рассматривались и раньше в работах по исследованию подвода стеблей в ручей и их зажатия ремнями [9, 10, 11], а также в расчетах теребильных аппаратов и выбора скорости движения теребильных лент изложены в работах немецких исследователей Войчак и Винтер [12] и польского исследователя М. Янияк [13]. Однако их рассмотрение проводилось опосредовано и под влиянием того или иного рабочего органа. Это не позволяет оценить совокупную растянутость, которая формируется в результате работы сельскохозяйственной машины.

Первым технологическим процессом в уборочном цикле, оказывающим влияние на растянутость, является теребление, которое осуществляется вне зависимости от применяемой технологии.

Теребильные аппараты состоят из нескольких теребильных секций. Каждая теребильная секция образована парой прижатых друг к другу бесконечных ремней, или ремнем и обрезиненным диском которые захватывают стебли льна, зажимают их и выдергивают из почвы [14]. Две сомкнутые друг с другом смежные ветви ремней (или часть поверхности диска и прижатая к ней ветвь ремня), между которыми зажимаются стебли, образуют теребильный ручей. В зависимости от направления теребильных ручьев в одних машинах стебли льна теребятся в продольной плоскости или в плоскости, близкой к продольной; в других машинах теребление льна производится в поперечной плоскости.

Спереди теребильные аппараты снабжены делителями стеблестоя льна, изготовленными, как правило, из прутковой стали. Делители производят разделение стеблестоя льна на отдельные полосы и подводят стебли к ремням теребильных секций. В льнотеребилках применяются делители различной геометрической формы и конструкции: одноярусные (треугольные) и двухъярусные (пятиугольные) [15].

При работе теребильного аппарата наклоняемые делителями стебли, сходя с прутков, попадают в зону действия теребильных ремней (рис. 1, а). Ширина этой зоны 2В1, а границы находятся в точках В1 и В2, где и начинается подвод стеблей в ручей ремнями.

Относительный сдвиг в ленте формируется в первую очередь при взаимодействии стеблей с делителями и при взаимодействии стеблей с теребильным аппаратом. При взаимодействии стеблей с делителями происходит наклон стеблей, непосредственно взаимодействующих с делителем в продольном направлении по ходу движения машины и в поперечном направлении к точке К. При этом наибольшему наклону подвержены стебли льна, наиболее удаленные от точки К зажима теребильными ремнями и наименьшему наклону подвержены стебли, расположенные в центре теребильной секции.

В общем виде растянутость ленты льна можно представить как:

Х= ^ = 1 + * , (1)

II

ст ст

где /ст - длина стебля льна, м; А/ - смещение (относительный сдвиг) стеблей в ленте льна, м.

Относительный сдвиг стеблей А/ст связан с тем, что затягивание стеблей в теребильный ручей происходит на разной высоте. Растянутость ленты льна, формируемая работой делителей, образуется следующим образом. В процессе движения сельскохозяйственной машины, делители надвигаются на стеблестой, упираются боковыми стеблеподводами в него и, преодолевая сопротивление отдельных стеблей изгибу, подводят их в центр, тем самым наклоняют. При этом боковые стеблеподводы взаимодействуют сначала со стеблями наиболее близко к ним расположенными, а затем по мере продвижения - со стеблями, расположенными ближе к центру. Такое воздействие делителей на стебли льна

приводит к тому, что они отклоняются от своей оси, как в направлении движений сельскохозяйственной машины (угол у*) (рис. 1, в), так и перпендикулярно движению - в центр между двумя смежными делителями (угол уу) (рис. 1, б). В свою очередь стебли льна, расположенные в центре между двумя смежными делителями воздействию последних, практически не подвергнуты и имеют минимальное отклонение от своей оси. В таком случае стебли, расположенные в центре теребильной секции, затягиваются в точке А', а крайние стебли - в точке А (рис. 1, б), что и формирует относительный сдвиг.

Рис. 1. Схема теребления стеблей льна из почвы аппаратом с продольными ручьями: а - вид сверху; б - вид спереди; в - вид сбоку; 1 - делитель; 2 - теребильный ремень; 3 - ролик; 4 - стебель льна

Так как ремни, обтягивающие шкивы Ci и Сг, совершают сложные движения, а именно, переносное (поступательное вместе с машиной) и относительное (вращательное вместе со шкивами вокруг осей Ci и Сг) (рис. 1, а), то траектории точек ремней относительно земли зависят от отношения скоростей машины и теребильных ремней. Это отношение является показателем скоростного режима Z.

v S

С=-м- или с = ^-, (2)

v ■ cos a S ■ cos ар

где Z - показатель скоростного режима; Ум - скорость движения машины, м/с; Ур - скорость теребильных ремней, м/с; - расстояние, пройденное машиной за единицу времени t, м/с; Sv - расстояние, преодолеваемое точкой теребильного ручья за единицу времени t, м/с; ар - угол наклона теребильного ручья, град.

Проводя анализ затягивания стеблей ремнями, согласно Г. А. Хайлиса [16], можно установить, что при малых значениях показателя скоростного режима траектории точек ремней будут иметь вид В1К1 и В2К1, а при больших значениях этого показателя - В1К2 и В2К2. Воздействие ремней на стебли может вызвать дополнительный наклон крайних стеблей и увеличение растянутости пучка вытеребленных стеблей. Дополнительный наклон будет весьма мал при малых значениях показателя и значительным при больших значениях L Ввиду этого растянутость вытеребленных стеблей увеличивается с ростом скоростного режима, что ведет к снижению чистоты теребления. Таким образом, для оценки растянутости формируемой в процессе теребления ленты льна необходимо рассмотреть два положения: стебель, находящийся в середине теребильной секции (неподверженный отклонению) и стебель, расположенный у вершины делителя, отклоняемый в процессе работы от своей первоначальной оси на некоторый угол у (рис. 2, а). Величину А! можно представить как:

Ы = ОА'- ОА , (3)

а величину ОА' определить по формуле:

ОА' = , (4)

cos у

где у - угол наклона стебля льна наиболее удаленного от центра теребления, рад.

Рис. 2. Схема к определению параметров относительного сдвига стеблей в ленте льна: а - схема привязки делителя со стеблем льна к пространственной системе координат; б - теребильный аппарат в двух положениях (вид сбоку); 1 - делитель; 2 - теребильный аппарат; 3 - полевое колесо; 4 - стебель льна

В свою очередь тангенс угла у можно найти как:

щ у =

АА ОА

(5)

Из прямоугольного треугольника АА 'В катетами ха и ул найдем АА'

АА' = 4х\ + у\ , (6)

где ха - величина смещения точки А, принадлежащей стеблю льна, при взаимодействии ремнем теребильного аппарата на протяжении времени ^ с момента начала взаимодействия, до момента затягивания стебля льна в теребильный ручей, м; ул - величина смещения точки А, принадлежащей стеблю льна при взаимодействии с боковым стеблеподводом делителя, м.

Максимальное его значение не превышает половины захвата одной теребильной секции Ьтер/2. Время ^ с момента начала взаимодействия теребильного аппарата со стеблем, до начала его затягивания в теребильный ручей можно определить как (рис. 1, а)

6-г

т ш

ю

(7)

где ф - угол поворота шкива теребильного аппарата до затягивания стебля в теребильный ручей, рад; ю - угловая скорость вращения шкива теребильного аппарата, рад/с; Гш - радиус ведомого шкива теребильного аппарата, м; Ур - скорость движения теребильного ремня, м/с.

В свою очередь величина ха зависит от скоростного режима сельскохозяйственной машины. Поскольку при условии отсутствия проскальзывания и номинальной частоте вращения вала отбора мощности скорость ремней теребильного аппарата постоянная, то фактором, определяющим величину ха является скорость самой сельскохозяйственной машины. Тогда ха можно определить по формуле:

Ха = й = ^м • *, (8)

где Ум - скорость движения сельскохозяйственной машины, м/с; 5м - путь, пройденный с.-х. машиной за время 1;, м.

Из схемы (рис. 2, а) видно, что величина ОА соответствует высоте теребления /тер, которая должна составлять 1/3 длины стебля льна. С учетом зависимостей (4), (5), (6), (7) и (8) после некоторых преобразований выражение (3) примет вид:

А/ = -

1„

-1„ = /„

ате(§

тер

4

£

+ / 2

4 тер

и

-1

(9)

V

р

Как видим из выражения (9), на величину относительного сдвига стеблей в ленте льна при тереблении оказывает воздействие конструктивные параметры (ширина захвата теребильной секции) и технологические (угол наклона теребильного аппарата и высота теребления). Также следует отметить присутствие показателя скоростного режима в виде Sm.

Анализируя зависимость (2), следует отметить влияние угла установки теребильного аппарата ар на показатель кинематического режима. В свою очередь угол установки теребильного аппарата ар зависит от высоты теребления /тер. Связь между этими показателями можно выявить, проанализировав схему (рис. 2, б). Поскольку поднятие и опускание теребильного аппарата происходит вращением полурамы теребильного аппарата вокруг оси полевого колеса Ок, то высоту теребления /тер можно определить по зависимости:

^тер = Гк - L ■ SÍn (Х-ф) , (10)

где rK - радиус полевого колеса, м; L - расстояние от оси вращение полевого колеса до точки начала затягивания стеблей льна в теребильный ручей, м; % - угол определяющий наклон отрезка Сок к горизонту в крайнем нижнем положении теребильного аппарата, рад.; ф - угол подъема теребильного аппарата, град.

Угол установки теребильного аппарата можно определить как:

ар =арн-Ф, (11)

где арн - угол наклона теребильного аппарата к горизонту в крайнем нижнем положении, град. Для теребильного аппарата льноуборочного комбайна типа ЛК-4А и «Двина-4М» арН = 58.. .62 град.

С учетом (11) выражение (10) примет вид:

Кер = Г -L• sin(х + ар-арн), (12)

где ар - фактический угол наклона теребильного аппарата к горизонту (установленный во время теребления), град.

Продемонстрируем пример расчета растянутости ленты льна, формируемой на этапе теребления в математическом пакете MathCad. Предположим, что длина стебля льна /ст = 1,0 м, ширина захвата одной теребильной секции Ьтер = 0,37 м, высота установки теребильного аппарата (высота теребления) /тер = /ст/3, номинальная скорость движения теребильных ремней при условии проскальзывания Ур = 2,6 м/с, а рабочая скорость сельскохозяйственной машины Ум = 2,5 м/с. В качестве конструктивных параметров примем параметры льноуборочного комбайна «Двина-4М»: радиус ведомого шкива теребильного аппарата Гш = 0,124 м, радиус полевого колеса льноуборочного комбайна Гк = 0,3 м, расстояние от оси полевого колеса теребильного аппарата до нижней части теребильного аппарата L = 0,96 м.

Согласно принятым параметрам, угол наклона теребильного аппарата к горизонту выраженное из

( г I (гк - L I

выражения (11) составит а = 60 - arcsin | | + arcsin к т тер = 0,695 рад. или 39,84 град. а показа-

L

L

тель кинематического режима С =-м-=--г = 1,252 .

vp • cosар 2,6 • cos (39,84)

Время взаимодействия теребильного аппарата до момента затягивания стеблей льна в теребиль-

ф-г 1,05 • 0,125

ный ручей согласно (7) составит t =-=-= 0,017 с, а величина относительного сдвига

V 2,6

стеблей льна при формировании ленты в теребильном ручье по зависимости (9) составит А/ = 0,151 м.

/1ч А/ 0,151 Растянутость ленты льна в таком случае, согласно (1) составит Л = 1 +--— = 1 + —-= 1,151.

1ст 1

Вариант оформления исходных данных и расчетной части в математическом пакете MathCad показан на рис. 3. Результаты модели (1) с учетом (2), (7), (9), (11) и (12) позволяют определить растянутость ленты стеблей льна формируемой в процессе теребления при изменяющихся технологических параметрах таких, как высота стеблестоя (высота стеблей) /ст, высота теребления /тер, показателя скоростного режима Z

Met head - [Модель расчета!]

Файл Правка Вид ДоЬавить Формат Инструменты Символика Окно Справка

□ - езн & mm «

\ т о

^ □ ioo% ^ ig

- л

Ч10 у В z и еш

1СТ := 1.0 длина стебля льна, м гщ := 0.125 радиус ведомого шкива теребильного аппар 2.5 скорость движения сельскохозяйственной машины, и/с

ф:= — угол поворота шкива теребильного аппарата до затягивания стебля в теребильный ручей, рад. 9

0 96 расстояние от оси полевого колеса теребильного аппарата до нижней части ам" ■ теребильного аппарата, м

гк:= 0.3 радиус полевого колеса льноуборочного комбайна, м 1 := — = о.ЗЗЗ высота установки теребильного аппарата над уровнем поля, м

"Гер ^

тер

угол установки теребильного аппарата к горизонту при тереблении, рад

V := 2.6 номинальная скорость движения ремня теребильного аппарата, м/с

= 0.37 ширина захвата теребильной секции, м - = 1.252 показатель скоростного режима

время взаимодействия теребильного аппарата до момента затягивания

С:---

Vp-CÜSIBpl <1>ГШ

t := - = 0.017

стеблей льна в теребильный ручей, с

^ + путь проиденыи сельскохозяйственной машинои с момента взаимодеиствия тер

:"м~ ■ аппарата со стеблем льна до момента затягивания стебля в теребильный ручей

Определим величину относительного сдвига стеблей льна при формировании ленты в тереб

тер 4

Д1

\:= 1 + — = 1.1 J1

растянутость стеблей льна

IS

ебильного м

ильном ручье, м

Рис. 3. Блок исходных данных и расчетной части в математическом пакете MathCad определения растянутости ленты стеблей льна.

Заключение

Получены аналитические зависимости, позволяющие определять растянутость ленты стеблей льна, формируемой на этапе теребления теребильным аппаратом с продольными криволинейными ручьями типа ЛК-4А и «Двина-4М». Установлено, что величина растянутости ленты льна главным образом зависит от работы делителей, работы теребильного аппарата и скоростного режима льноуборочного комбайна. При разработке новой техники следует стремиться к снижению ширины захвата одной секцией теребильного аппарата, а также уменьшению угла подвода стеблей льна в теребильный ручей делителем.

Аналитические зависимости, рассмотренные в данной статье, войдут в основу методики расчета и проектирования льнотеребилок и льноуборочных комбайнов с теребильным аппаратом с продольными криволинейными ручьями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шаршунов, В. А. Состояние льноводческой отрасли Республики Беларусь и пути повышения ее эффективности /

B. А. Шаршунов, А. С. Алексеенко, М. В. Цайц // Вестник Белорус. госуд. сельскохозяйств. академии. - 2019. - № 2. - С. 267-271.

2. Черников, В. Г. Изыскание и исследование рабочих органов для подъема и выравнивания лент льнотресты: дис. ... канд. техн. наук / В. Г. Черников. - Торжок, 1969. - 168 с.

3. Основы расчета рабочих органов машин и оборудования для производства семян льна / В. А. Шаршунов, В. Е. Круг-леня, А. Н. Кудрявцев [и др.]. - Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2016. - 156 с.

4. Шаршунов, В. А. Анализ механизированных технологий уборки и первичной переработки льна / В. А. Шаршунов, А. С. Алексеенко, М. В. Цайц, В. А. Левчук. - Вестник БГСХА. - 2017. - № 2. - С. 137-141.

5. ГОСТ 33734-2016. Межгосударственный стандарт. Техника сельскохозяйственная. Комбайны и машины для уборки льна. Методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2017. - 73 с.

6. Зинцов, А. Н. О повышении эффективности комлеподбивания стеблей в лентах льна-долгунца / А. Н. Зинцов // Вестник АПК Верхневолжья. - 2017. - № 1 - С. 67-72.

7. Ковалев, М. М. Раздельная уборка льна: влияние оборачивания на растянутость стеблей и потери семян / М. М. Ковалев, В. И. Дмитриев, М. М. Русакова // Достижения науки и техники АПК. - 2007. - № 4. - С. 6-8.

8. Зинцов, А. Н. Разработка и исследование процесса уменьшения растянутости стеблей льна-долгунца в ленте / А. Н. Зинцов, В. Н. Соколов // Аграрный вестник Нечерноземья. - 2021. - № 4(4). - С. 29-35.

9. Румшинский, Л. З. Математическая обработка результатов эксперимента / Л. З. Румшинский. - М., 1971. - 192 с.

10. Ковалев, В. Б. Прогрессивная технология уборки и реализации льна / В. Б. Ковалёв // Лен и конопля. - 1983. - № 2. -

C. 18-21.

11. Комаристов, В. Е. Сельскохозяйственные машины / В. Е. Комаристов, Н. Ф. Дунай. - М.: Колос, 1984. - 478 с.

12. Winter, R. Die Flachsraufmachinen und ihre technologischen und konstruktiven Probleme / Deutsche Agrartechnik. - № 7. - 1956.

13. Janiak Mieczyslaw. Wskazowki do konstukcji i obliczen podstawowy-chzespolow roboczych wyrywaczy Inu, Maszyny Rolnicze rok II, 1960, № 2 Warszava.

14. Халанский, В. М. Сельскохозяйственные машины / В. М. Халанский, И. В. Горбачев. - М.: Колос С, 2004. - 624 с.

15. Маят, А. С. Теория, конструкция и расчет делителей льноуборочных машин // Труды ВНИИМСХ (ВИМ). - Москва, 1970. - Том 46. - С. 304-335.

16. Хайлис, Г. А. Элементы теории и расчета льноуборочных машин / Г. А. Хайлис. - М.: Машгиз, 1963. - 151 с.