CC BY
25
Экспериментальные исследования измельчителя соломы зерноуборочного комбайна
А.А. Прищепа, магистрант, М.И. Туманова, аспирантка, А.С. Брусенцов, к.т.н, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ
Экстенсивные и интенсивные технологии использования почвы ведут к снижению её способности удовлетворять потребность растений [1, 2] в питательных веществах. Восстановить плодородие почвы можно путём соответствующего внесения органических и минеральных удобрений.
После уборки зерновых культур остаются пожнивные остатки (солома). В химический состав пшеничной, овсяной, ячменной соломы входят такие элементы как натрий, йод, калий, железо, марганец и другие микроэлементы. Незерновую часть урожая (солома и полова) можно использовать в животноводстве в качестве кормовых добавок, а также как подстилочный материал [1, 3—5]. При разложении пожнивные остатки переходят в углеводы и белковые соединения, а затем в лизин и целлюлозу. Причём эффективность разложения соломы зависит от наличия в почве азота. Таким образом, попадая в почву, они превращаются в перегной или гумус, являясь эффективным органическим удобрением.
В настоящее время при уборке зерновых культур используют ряд технических средств, выполняющих различные технологические операции. Предлагаемые технические средства для уборки незерновой части урожая не всегда удовлетворяют предъявляемым агротехническим требованиям, а именно размерам измельчённого материала и его равномерного распределения по полю. Это препятствует эффективному разложению пожнивных остатков, которые остаются на поверхности поля. Совмещение одновременно нескольких технологических операций в одном техническом средстве — уборка, распределение соломы по полю — способствует снижению трудозатрат, горюче-смазочных материалов. Для этого требуются разбрасыватели-измельчители, которые устанавливаются на зерноуборочных комбайнах.
Для решения обозначенной проблемы нами предлагается конструктивно-технологическая схема измельчителя соломы зерноуборочного комбайна незерновой части урожая (пат. РФ №2611829). Измельчитель работает следующим образом [3—7]. Солома подаётся с клавиш соломотряса в улавливающую воронку посредством пруткового направителя, и через направляющую воронку — в рабочую зону измельчающего аппарата зерноуборочного комбайна, которая образована подвижными дисками с измельчающими сегментами [6]. Они вращаются вместе с валом, а диски с противорежущими сегментами неподвижны и закреплены на опоре, установленной в поперечной
балке. Измельчённая солома воздушным потоком, образованным вентилятором, по трубопроводу подаётся в прицепленную тележку [6].
Цель исследования — обосновать рациональные конструктивно-режимные параметры измельчителя комбайна при уборке незерновой части урожая.
Материал и методы исследования. При проведении эксперимента применяли стандартные методики и методы, приборы, частотный преобразователь. Была разработана экспериментальная установка, которая имитирует технологический процесс измельчения незерновой части урожая при уборке зерновых культур прямым способом. В качестве исходного материала была выбрана солома озимой пшеницы сорта Краснодарская 99. Эксперимент был выполнен на основе материально-технической базы кафедры «ПРИМА» КубГАУ.
Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из рамы 1, направителя 4, кожуха 2. Кожух обеспечивает замкнутое пространство и является корпусом, на конце которого закреплён мешок 3 для сбора материала. Внутри находится ротор в виде диска, на котором крепятся рабочие органы в виде сменных ножей. Ротор приводится в действие электродвигателем 5. Значения уровней факторов выбирались нами с таким расчётом, чтобы оптимальные значения попадали в центр варьирования.
Рис. 1 - Экспериментальная установка измельчителя НЧУ:
1 - рама; 2 - корпус измельчителя; 3 - мешок для сбора проб; 4 - направитель; 5 - электродвигатель
На измельчение соломы влияют следующие основные конструктивные факторы (табл. 1): частота вращения ротора, количество ножей.
Кроме того, на измельчение соломы влияют такие факторы как: физико-механические (сопротивление соломы резанию); технологические (влажность); конструктивные (частота вращения ротора, количество ножей); режимные (скорость подачи материала к измельчающим ножам).
Частота вращения ротора-измельчителя изменялась в пределах от 1500 до 2820 об/мин, что соответствует частоте вращения измельчителей серийно выпускаемых зерноуборочных машин.
1. Учёт факторов уровней и интервалов
Фактор Условное Интервал Уровень факторов
значение уровней -1 0 +1
Количество режущих элементов Число оборотов ротора, с-1 х2 х1 1 11 3 25 4 36 5 47
2. Матрица планирования эксперимента
№ опыта Х2 х1 Х2 Длина резки, L мм
1 47 5 + + 34,04
2 25 5 - + 38,42
3 47 3 + - 33,68
4 25 3 - - 34,98
5 47 4 + 0 32,06
6 25 4 - 0 34,9
7 36 5 0 + 33,83
8 36 3 0 - 31,93
9 36 4 0 0 31,08
Анализ априорной информации и поисковых исследований показал, что наиболее значимыми выявились следующие факторы: частота вращения ротора, количество ножей [8—10]. Их значения фиксировали на соответствующих уровнях и представили в виде таблицы 2.
Для поиска критерия оптимизации использовали длину резки материала, на которую влияет количество режущих элементов и частоты вращения ротора-измельчителя экспериментальной установки. В результате максимальное значение, значение первого фактора х1 (число оборотов) составило 47 с-1 и min 25 с-1. Для второго фактора х2 учитывались конструктивные особенности самой установки, поэтому max и min значения составили 1 и 5 режущих элементов. Меняли значение первого фактора с помощью частотного преобразователя, значение второго фактора — путём изменения количества режущих элементов на валу ротора-измельчителя экспериментальной установки.
Полученные в результате эксперимента данные были обработаны компьютерными программами по статистическому анализу и рациональному планированию в соответствии с математической статистикой в среде МаШсаё 14.0.
Нами получено уравнение регрессии для определения качественных показателей работы измельчителя:
(1)
У _ 31,08 -1,42х + 0,95х2 -
- 0,77 х1х2 + 2,4 х2 +1,82, где У — длина соломины после измельчителя в мм.
Полученную поверхность отклика изучали с использованием двумерных сечений, для более детального изучения провели каноническое преобразование:
- 36
„ _ 12 _ 1 (2)
А,
А.
11
x2 - 4 1
(3)
Решив систему уравнений, мы нашли координаты центра поверхности отклика:
х1 = 0,26; х2 = -0,21.
Подставив полученные значения х1 и х2 в уравнение регрессии, найдём значение параметра оптимизации в центре поверхности отклика У = 30,79 мм, коэффициенты регрессии в канонической форме равны 5П = 2,59; В22=1,61; инварианты Ь1 и Ь2 равны 4,2.
Уравнение регрессии примет вид:
YS - 30,79 = -2,59Х12 - 1,61X22,
(4)
Рис. 2 - Поверхность зависимости длины частицы измельчаемого материала от количества ножей и оборотов ротора
Рис. 3 - Двумерное сечение поверхности отклика длины резки материала в зависимости от количества ножей и оборотов ротора
3. Характеристика двумерного сечения отклика длины измельчаемого материала
Значения в центре сечения Отклик в центре сечения по YXS, мм Угол поворота оси координат а, град.
X1S X2S
0,26 - 0,21 30,79 - 26°
или
X ,2
- + -
X 2
= 1.
(5)
Y - 30,79 Y - 30,79 - 2,59 -1,62 В данном случае поверхность отклика представляет собой эллипсоид, центр которого — это min. В результате подстановки различных значений отклика Y в уравнение (1) мы получили сопряжённые линии (рис. 2, 3). Для поиска оптимальных количественных показателей использовали Вк-план (табл. 3).
Результаты исследования. В результате системного анализа конструкций измельчителей соломы зерноуборочного комбайна по научным источникам и патентам было намечено перспективное направление в создании измельчителя соломы. В ходе проведения лабораторных исследований на экспериментальной установке измельчителя было определено, что равномерность распределения измельчённого материала от оси комбайна к крайним точкам уменьшалась. Степень измельчения соломы варьировала в пределах от 0,05 до 0,2 м. Были получены уравнения регрессии для определения рациональных параметров. Рациональные конструктивно-режимные параметры измельчителя при скорости воздушного потока 2 м/с и длина резки, равной 30,79 мм, количество режущих элементов на диске, ротора-измельчителя экспериментальной установки — 4 шт., частота вращения ротора — 2160 об/мин.
Вывод. Совмещение в одном технологическом средстве нескольких технологических операций позволяет значительно сократить затраты вы-
вода соломы из измельчителя и распределения последней по полю путём создания непрерывно действующего воздушного потока ротором измельчителя. Скорость воздушного потока в этом случае должна быть больше критической скорости витания измельчённого материала. Напорный поток воздуха, создаваемый ротором измельчителя, транспортирует материал в зону диффузора, где располагаются лопатки, распределяющие измельчённую солому за комбайном по полю.
Литература
1. Сторожук Т. А. Ультразвуковое обеззараживание животноводческих стоков // Сельский механизатор. 2014. № 1 (59). С. 34-35.
2. Волошин М.И., Лебедь Д.В., Брусенцов А.С. Результаты интродукции нового бобового растения — гуара (cyamopsis tetragonoloba (l) Taub) // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 58. С. 84—91.
3. Пат. 2530811 Российская Федерация МПК A01F 29/00. Режущий сегмент измельчителя кормов / В.Ю. Фролов, Д.П. Сысоев, М.И. Туманова и др; заявит. и патентообладатель ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ; №2015154361/13; заявл. 17.12.2015; опубл. 10.08.2016; Бюл. № 22.
4. Пат. 2530811 Российская Федерация МПК А01К 5/02. Раздатчик-измельчитель рулонных тюков / В.Ю. Фролов, Д.П. Сысоев, М.И. Туманова; заявит. и патентообладатель ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ; №201322009/13; заявл. 13.05.2013; опубл. 10.10.2014; Бюл. № 28. С. 3.
5. Гаврилов М.Д. Раздатчик-измельчитель рулонной заготовки / М.Д. Гаврилов, М.И. Туманова, Д.П. Сысоев [и др.] // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сб. стат. по матер. IX Всерос. конф. молодых ученых / отв. за вып. А.Г. Кощаев. Краснодар, 2016. С. 330—331.
6. Пат. 2611829 Российская Федерация МПК A01F 12/40. Измельчитель соломы для зерноуборочного комбайна / Е.И. Тру-билин, А.С. Брусенцов, М.И. Туманова, А.А. Михеенко; заявит. и патентообладатель ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ; № 2016100751; заявл.11.01.2016; опубл.01.03.2017; Бюл. № 7.
7. Брусенцов А.С. К вопросу совершенствования измельчителя соломы на зерноуборочном комбайне // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сб. стат. по матер. 71-й науч.-практич. конф. преподават. по итогам НИР за 2015 г. / отв. за вып. А.Г. Кощаев. Краснодар, 2016. С. 196—197.
8. Фролов В.Ю., Туманова М.И. Анализ факторов, влияющих на оптимальные конструктивно-режимные параметры раздатчика-измельчителя // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сб. стат. по матер. 71-й науч.-практич. конф. преподават. по итогам НИР за 2015 г. / отв. за вып. А.Г. Кощаев. Краснодар, 2016. С. 260—261.
9. Брусенцов А.С. Снижение дробления зерна барабаном с упругим покрытием // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 4. С. 35—36.
10. Брусенцов А.С. Сжатие вороха гороха в молотильном устройстве комбайна // Сельский механизатор. 2015. № 2. С. 16—17.
Современные методы упрочнения дисковых рабочих органов почвообрабатывающих машин
Н.М. Ожегов, д.т.н., профессор, В.А. Ружьев, к.т.н., В.Д. Губарев, магистрант, В.Д. Сулеев, соискатель, ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский ГАУ; В.А. Шахов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Изнашивание дисков почвообрабатывающих агрегатов — это процесс разрушения их почво-режущей поверхности при трении вследствие абразивных и физико-механических свойств почвы, конечным результатом которого становятся постепенно изменённые их форма, размер и со-
стояние рабочей поверхности [1]. По понятным причинам, из-за представленных изменений качество выполнения технологического процесса лущения, дискования резко ухудшается, снижаются показатели технико-экономической оценки работы почвообрабатывающих машин. С увеличением наработки состояние изнашивающихся дисков непрерывно изменяется и достигает предельных значений сразу по нескольким конструкционным параметрам, влияющим на функциональные и технологические качества.
