CC BY
13
УДК 631.354.2
05.20.00 Процессы и машины агроинженерных систем
ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШНЕКОВОГО РЕЖУЩЕГО АППАРАТА
Труфляк Евгений Владимирович Д.т.н., профессор БРШ-код=2502-0340
Труфляк Ирина Сергеевна Старший преподаватель БРШ-код=2653-4930
Разгонов Григорий Витальевич Магистрант
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье представлены результаты оптимизации угла наклона и шага установки режущего сегмента, частоты вращения шнека при срезе стеблей сельскохозяйственных культур различных биометрических характеристик предложенным шнековым режущим аппаратом
Ключевые слова: РЕЖУЩИЙ АППАРАТ, ОПТИМИЗАЦИЯ, СТЕБЛИ, ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ
йо!: 10.21515/1990-4665-136-004
UDC 631.354.2
Processes and machines of Agroengineering systems
OPTIMIZATION OF THE GEOMETRICAL SIZES AND KINEMATIC CHARACTERISTICS OF A SCREW CUTTING DEVICE
Truflyak Evgeny Vladimirovich Dr.Sci.Tech, professor SPIN-code=2502-0340
Truflyak Irina Sergeevna Senior teacher SPIN-code=2653-4930
Razgonov Grigory Vitalyevich Undergraduate student Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
The article presents the results of optimization of the angle of inclination and pitch of the cutting segment, the frequency of rotation of the screw when cutting stems of crops of different biometric characteristics of the proposed screw cutting device
Keywords: CUTTING DEVICE, OPTIMIZATION, STALKS, GRAIN CROPS
Актуальность темы. Парк сельскохозяйственной техники в России характеризуется высокой степенью износа - количество тракторов и самоходных уборочных машин сократилось более чем в 6 раз за последние 25 лет, что приводит к низкой производительности и увеличению потерь продукции при уборке.
Выходом из создавшейся ситуации может быть использование принципов ресурсосбережения, универсальности и многофункциональности.
Эффективность скашивания сельскохозяйственных растений зависит от физико-механических свойств и биометрических характеристик стеблей; типа и конструкции режущего аппарата; требований к измельчению или удалению скошенной растительности и других. Существующие режу-
щие аппараты не обеспечивают одновременный срез, сбор, измельчение и удаление скошенной массы.
Поэтому повышение эффективности скашивания растений за счет разработки многофункционального универсального режущего аппарата является актуальной задачей.
Проблема состоит в отсутствии обоснования параметров и режимов работы многофункционального универсального режущего аппарата, обеспечивающего одновременный срез, сбор, измельчение и удаление скошенной массы.
Рабочая гипотеза - оптимизация геометрических параметров и кинематических режимов работы режущего аппарата позволит расширить функциональные возможности и обеспечить уборку тонкостебельных и толстостебельных культур.
Цель работы - повышение эффективности скашивания растений путем определения параметров и режимов работы многофункционального универсального режущего аппарата.
Объект исследования - технологический процесс уборки растений, зерновых культур и трав.
Предмет исследования - зависимости между биометрическими показателями, физико-механическими свойствами культур и параметрами режущего аппарата, а также качественными показателями его работы.
Задачи исследования
1. Разработка конструкции многофункционального универсального режущего аппарата.
2. Изучение резания стеблей растений, зерновых культур и трав в лабораторных условиях.
3. Оптимизация геометрических размеров и кинематических характеристик режущего аппарата для стеблей подсолнечника, кукурузы и пшеницы.
Описание лабораторной установки
Для определения параметров и режимов работы разработанного режущего аппарата [1] была изготовлена лабораторная установка (рисунок 1).
Рисунок 1 - Лабораторная установка для изучения резания стеблей: 1 - транспортер; 2 - держатель стеблей; 3 - противорежущая пластина; 4 - шнек; 5 -электропривод шнека; 6 - устройство для изменения высоты подьема шнека; 7 -устройство для регулирования частоты вращения шнека; 8 - электропривод транспор-
тера; 9 - устройство для регулирования скорости перемещения транспортера; 10 -натяжное устройство
Установка содержит раму, на которой закреплен транспортер 1 с регулируемым приводом 8. Для резания стеблей предусмотрен шнек 4 и про-тиворежущая пластина 3. Привод осуществляется устройством 5 с возможностью регулирования частоты вращения регулятором 7.
Предусмотрена возможность изменения высоты (устройство 6) расположения шнека 4 по отношению к стеблям, закрепляемым в держателях 2.
Техническая характеристика установки представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Техническая характеристика лабораторной установки
Показатель Значение показателя
Ширина захвата шнека, см 65
Диаметр шнека, см 18
Частота вращения шнека, мин-1 0...850
Максимальная скорость ленты транспортера, км/ч (м/с) 9 (2,5)
Шаг витков шнека, мм 120
Толщина режущей кромки шнека, мм 15
Диаметр валов транспортера, мм 90
Длина транспортерной ленты, мм 2820
Количество держателей стеблей, шт. 150
Количество сегментов, шт. 16
Диапазон регулировок высоты расположения нижней
кромки шнека над транспортером (с учетом высоты держателей стеблей), мм 0.130 (0.80)
Исследования проводились в соответствии с ОСТ 70.8.2-82 «Испытания сельскохозяйственной техники. Косилки, косилки-плющилки и косилки с порционным сбросом. Программа и методы испытаний» [2].
Для изучения резания стебли 1 сельскохозяйственных культур размещают в держатели 2, которые жестко устанавливают на транспортере 3 в виде бесконечной ленты (рисунок 2). Держатели 2 располагают параллельными рядами с расстоянием, соответствующим ширине междурядий hм сельскохозяйственных культур.
Затем, осуществляют перемещение транспортера 3 с держателями 2 со стеблями 1 к режущему элементу 4 со скоростью, соответствующей скорости движения машины, предназначенной для уборки данной сельскохозяйственной культуры.
Далее происходит срез стеблей 1 режущим элементом 4 в виде шнека 5, имитирующим рабочий орган уборочной машины. Частота вращения шнека 5 соответствует необходимой частоте для среза изучаемой сельскохозяйственной культуры.
а б
Рисунок 2 - Схема размещения стеблей сельскохозяйственных культур на транспортере: а - вид спереди; б - вид сбоку
После транспортер 3 с остатками стеблей в держателях 2 возвращается в исходное положение (рисунок 2).
а б
Рисунок 3 - Схема состояния стеблей после среза режущим элементом: а - вид спереди; б - вид сбоку
Затем происходит измерение высоты среза hср стеблей измерительным инструментом 6. Проводят визуальную оценку качества среза и принимают решение об эффективности работы режущего элемента на изучаемой сельскохозяйственной культуре.
Методика планирования эксперимента
Задачей исследования являлось изучение влияния конструктивных и режимных параметров режущего аппарата на качественные показатели процесса резания стеблей подсолнечника, кукурузы, пшеницы (средняя высота среза стеблей, длина измельченных стеблей, количество несрезан-ных стеблей).
При составлении плана эксперимента выбрали независимые факторы, исходя из априорной (доопытной) информации.
С учетом проведенного обзора патентной и другой научно-технической литературы были выбраны факторы и уровни их варьирования, представленные в таблице 2.
Таблица 2 - Факторы и уровни их варьирования
Уровни факторов Факторы
частота вращения шнека (х1), мин-1 угол наклона режущего сегмента (Х2), град шаг сегментов (х3), мм
Верхний уровень XI = +1 800 90 180
Основной уровень Xю = 0 500 60 120
Нижний уровень xi = -1 200 30 60
Основной уровень частоты вращения шнека (п = 500 мин-1) выбран с учетом предварительно проведенных исследований по резанию стеблей толстостебельных культур. Нижний (п = 200 мин-1) и верхний (п = 800 мин-1) уровни варьирования соответствует допустимому диапазону резания стеблей (рисунок 4).
Рисунок 4 - Измерение частоты вращения шнека
Угол наклона режущего сегмента принят на основании изучения априорной информации по резанию стеблей подсолнечника, кукурузы и пшеницы (рисунок 5).
а б в
Рисунок 5 - Измерение угла наклона режущего сегмента: а - 90 град; б - 60 град; в - 30 град
Шаг сегментов подбирался на основании визуального исследования качества среза и измельчения стеблей (рисунок 6). Причем шаг сегментов 60 мм соответствует сплошному расположению сегментов, 120 мм - пропуск одного сегмента, 180 мм - двух сегментов.
а б в
Рисунок 6 - Режущий аппарат с различными значениями шага сегментов: а - 60 мм; б - 120 мм; в - 180 мм
Выбранные факторы оказывают непосредственное влияние на агротехнические показатели работы и не являются функциями других факторов. Так же они отвечают требованиям совместимости и независимости. Для трехфакторного эксперимента принят план Бокса В3. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась методами общей теории статистики и теории планирования эксперимента в соответствии с ГОСТ 8.207-76 [3].
Условия проведения эксперимента
Культуры.............................................подсолнечник,
кукуруза, пшеница
Влажность зерна, %:
- подсолнечник......................................19
- кукуруза.............................................20
- пшеница.............................................16
Количество стеблей в рядке, шт.:
- подсолнечник......................................5
- кукуруза.............................................5
- пшеница.............................................15
Расстояние между стеблями, см............25
Длина рядка, м.......................................1
Высота стеблей, см:
- подсолнечник......................................40
- кукуруза.............................................30
- пшеница.............................................40
Высота среза, мм..................................100
Диаметр стебля, мм:
- подсолнечник......................................14
- кукуруза.............................................19
- пшеница.............................................4
Скорость ленты транспортера.............5 км/ч
Тип сегмента........................................треугольный с одной режущей кромкой
Направление вращения шнека:
- подсолнечник, пшеница.......................прямое против направления
движения ленты
- кукуруза............................................обратное в направлении
движения ленты
На рисунках 7-8 представлены закрепленные в экспериментальной установке стебли подсолнечника, кукурузы, пшеницы до и после проведения эксперимента по срезу стеблей.
в
Рисунок 7 - Стебли до и после среза: а - подсолнечник; б - кукурузы; в - пшеница
Результаты оптимизации
Результаты обработки эксперимента программой Mathcad позволили установить корреляционно-регрессионную зависимость между изучаемыми факторами.
в
Рисунок 8 - Стебли после среза: а - кукурузы; б - пшеницы; в - подсолнечника
После математической обработки экспериментальных данных получили следующее уравнение регрессии для высоты среза стеблей подсолнечника (мнимые коэффициенты):
7ср = 111,45 + 0,13-х1 + 5,91- х2 + 20,57-х3 -
- 1,1-х1-х2 + 2,475-х1* х3 + 1,125-х2-х3 - 0,7-х 2 + 3,3-х 2 + 9,5-х 3, (1)
где 7ср - высота среза стеблей, мм
Рассмотрим поверхность отклика в системе трех координат, приняв постоянным один из факторов варьирования. Проанализируем зависимость высоты среза стеблей (7ср) от частоты вращения шнека (пш) и угла наклона режущего сегмента (ас) при постоянном значении шага сегментов (4).
Анализируя данные зависимости, можно заключить, что при шаге сегментов 1С = 180 мм происходит увеличение высоты среза стеблей от 133
до 150 мм за счет повышения частоты вращения вальцов с 200 до 800 мин-1 (рисунок 9, а).
При шаге сегментов lc = 60 мм высота среза стеблей изменяется от 96 до 111 мм с увеличением угла наклона режущего сегмента от 30 до 90 град (рисунок 9, б).
а
б
Рисунок 9 - Зависимость высоты среза стеблей (Гср) от частота вращения шнека (пш) и угла наклона режущего сегмента (ас) при постоянном значении шага сегментов:
а - /с = 180 мм; б - /с = 60 мм
Продифференцировав уравнение (1) по каждой из переменных, и приравняв производные нулю, получили систему линейных уравнений:
dy
dx^
dy dxi
= 0,13 - 1,1-х2 + 2,475-х3 - 1,4-х1 = 0, : 5,91 - 1,1-х1 + 1,125-х3 + 6,6-х2 = 0, 20,57 + 2,475-х1 + 1,125-х2 + 19- х3 = 0.
(2)
(3)
(4)
Решая систему линейных уравнений, находим координаты центра поверхности отклика: х1 = -0,844; х2 = -0,879; х3 = -0,921.
Подставив в исходное уравнение (1) значения х1, х2, х3 находим значения параметра оптимизации в центре поверхности отклика. То есть 73 = 99,328 мм, где 73 - значение отклика в новом начале координат (свободный член канонического уравнения).
Определим угол поворота осей координат поверхности отклика (старых осей) до совмещения с главными осями фигуры:
sina =
1
1
bi 23 +1
(Ь22 - Ь33)
(5)
То есть a = 0,09 градусов.
Тогда коэффициенты в канонической форме:
В1 = b11 = -0,7,
9 9
B2 = b22(cos(a)) + b33(sin(a)) + b23- sin(a)- cos(a) = 3,45,
2 2 B3 = b22-sin(a) + b33- cos (a) - b23-sin(a)-cos(a) = 9,35,
J1 = bn + b22 + b33,
J2 = В1 + В2 + В3, J1 = 12,1, J2 = 12,1, J1 = J2, то есть преобразования верны. Уравнение регрессии в канонической форме будет иметь вид:
Y - Ys= B1-X2 + B2-X 2 + B3-X32, Y - 99,328 = - 0,7-X? + 3,45-X2 + 9,35-X2,
(6)
(7)
(8) (9)
(10)
(11)
или
\2
(x^ + _(X2)1 +, (X3)2
Y - Y Y - YS Y - Y
= 1
By
(X1)2
B
2
(X2 )2
B
(X3)2
Y - 99,328 Y - 99,328 Y - 99,328
= 1
(12)
- 0,7 3,45 9,35
Для более детального представления поверхность отклика изучали с помощью двухмерных сечений.
Рассмотрим сечение Х$Х2. Для этого в исходное уравнение (1) подставим х3 = -0,921.
1
712 = 101,06 - 2,149-х1 + 4,874-х2 - 1,1-х1-х2 - 0,7-х2 + 3,3-х2, (13)
где 712 - высота среза стеблей при взаимодействии 1го и 2го факторов, 3-й фактор в центре плана.
Выполняя каноническое преобразование, получим уравнение:
Ф12
Ф12
= - 2,149 - 1,1-х2 - 1,4-х1, (14)
= 4,874 - 1,1-х1 + 6,6-х2. (15)
Решая систему линейных уравнений, находим координаты центра поверхности отклика: х1 = -0,844; х2 = -0,879.
Подставляя найденные значения х1 и х2 в уравнение (13), определяем значение параметра оптимизации в центре поверхности отклика, когда х3 = -0,921. Получаем 7з12 = 99,328.
Угол поворота осей а равен 7,688 градусов, а коэффициенты регрессии в канонической форме равны:
ВЦ = -0,774; В22 = 3,374;
Инварианты: Зх = 2,6; Л = 2,6.
Уравнение регрессии в канонической форме:
712 - 7s = В ц X? + В22-X 2, 712 - 99,328 = - 0,774-Х\ + 3,374-X2, (16)
или
(Х1)2 + (Х2)2 = 1 712 - 7 712 - 7
В11 В
22
(X1)2
712 - 99,328
+
( X2 )2
712 - 99,328
= 1
(17)
- 0,774 3,374
Поверхности отклика представлены на рисунках 10-12.
Рисунок 10 - Поверхность зависимости высоты среза (Уср) от частоты вращения шнека (пш) и угла наклона режущего сегмента (ас) и ее двухмерное сечение
Рисунок 11 - Поверхность зависимости высоты среза (Уср) от частоты вращения шнека (пш) и шага сегментов (/с) и ее двухмерное сечение
Рисунок 12 - Поверхность зависимости высоты среза (7ср) от угла наклона режущего сегмента (ас) и шага сегментов (/с) и ее двухмерное сечение
Далее рассмотрим сечение поверхности отклика Х15Х3. Для этого в исходное уравнение (1) подставим х2 = -0,879. Уравнение принимает вид: 713 = 108,81 + 1,1-х1 + 19,58-х3 + 2,475-х1-х3 - 0,7-х2 + 9,5-х 23. (18)
Выполнив канонические преобразования и решая систему линейных уравнений, находим координаты центра поверхности отклика:
х1 = -0,844, х3 = -0,921.
Подставляя найденное значение х1 и х3 в уравнение (18), определяем значение параметра оптимизации в центре поверхности отклика, когда х2 = -0,879.
713 = 99,328.
Коэффициенты регрессии в канонической форме равны: В11 = -0,848, В33 = 9,648.
Уравнение регрессии в канонической форме
713 - 99,328 = - 0,848-X? + 9,648-Х32. (19)
Рассмотрим сечение поверхности отклика Х25Х3. Для этого в исходное уравнение (1) подставим х1 = -0,844, тогда уравнение примет вид:
723 = 110,84 + 6,84-х2 + 18,48-х3 + 1,125-х2-х3 + 3,3-х2 + 9,5-х ^ (20)
Выполнив канонические преобразования и решая систему линейных уравнений, находим координаты центра поверхности отклика: х2 = -0,879; х3 = -0,921.
Подставляя найденные значения в уравнение (20), определяем значение параметра оптимизации в центре поверхности отклика, когда х1 = - 0,389.
723 = 99,328.
Коэффициенты регрессии в канонической форме равны: В22 = 3,249, В33 = 9,551.
Уравнение регрессии в канонической форме
723 - 99,328 = 3,249-Х2 + 9,551- Х2. (21)
Уравнение регрессии для длины измельченных стеблей (мнимые коэффициенты):
7из = 165,581 - 0,43-х1 + 2,12-х2 + 5,94-х3 + 1,162-х1-х2 + 1,512-х1-х3 +
+ 12,088-х2* х3 - 17,581-х2 + 4,569-х 2 - 9,031-х 3, (22)
где 7из - длина измельченных стеблей, мм
Уравнение регрессии для количества несрезанных стеблей (мнимые коэффициенты):
7нс = - 0,094 + 0,1-х1 - 0,27-х2 + 0,27-х3 - 0,162-х1-х2 + 0,162-х1-х3 -
- 0,337-х2* х3 + 0,244-х2 + 0,094-х 2 + 0,094-х 3, (23)
где 7нс - количество несрезанных стеблей, шт
Обобщенные результаты оптимизации по изучаемым культурам сведены в таблицу 3.
Таблица 3 - Результаты оптимизации
Культура Оптимальные факторы Параметр оптимизации
частота вращения шнека (х1), -1 мин угол наклона режущего сегмента х), град шаг сегментов (х3), мм параметр значение
подсолнечник 247 34 65 высота среза стеблей, мм 99
кукуруза 564 33 244 141
пшеница 653 49 123 140
подсолнечник 494 50 126 длина измельченных стеблей, мм 165
кукуруза 390 53 173 169
пшеница 388 51 140 246
подсолнечник 552 77 86 количество несрезанных стеблей, шт. 0,01
кукуруза 641 68 125 0,03
пшеница 829 69 118 0,3
В результате проведенных исследований по выбору конструкции режущего аппарата нами были экспериментально проверены в полевых и лабораторных условиях 7 вариантов разработанных и изготовленных экспериментальных вариантов (таблица 4).
Таблица 4 - Анализ работы режущих аппаратов
№
Вариант режущего аппарата
подпорный - открытого типа
Достоинства
Удовлетворительное резание единичных стеблей и группы стеблей зерновых колосовых.
Недостатки
В процессе среза наблюдается защемление и излом стеблей.
Хорошее резание стеблей.
В процессе среза наблюдается защемление и излом стеблей.
подпорный - открытого типа с сегментами, копирующими витки шнека
Плохое резание всех стеблей, кроме газонной травы.
подпорный - закрытого типа с противорежущими элементами, выполненными в корпусе
1. В процессе среза наблюдается защемление и излом стеблей.
2. Не все стебли попадают в режущую пару за счет смина-ния противорежущими элементами, выполненными в корпусе._
Хорошее резание стеблей зерновых колосовых.
В процессе среза наблюдается излом стеблей.
подпорный - открытого типа с половинными сегментами, копирующими витки шнека и дополнительной режущей кромкой на витке шнека
Удовлетворительное резание стеблей зерновых колосовых.
подпорный - открытого типа с
В процессе среза наблюдается излом стеблей.
Сложность попадания стеблей в режущую пару из-за двухза-ходного шнека, особенно при увеличении частоты вращения
2
3
4
5
№ Вариант режущего аппарата Достоинства Недостатки
половинными сегментами, копирующими витки двухзаходного шнека шнека.
6 подпорный - открытого типа с половинными сегментами, копирующими витки шнека и дополнительной режущей кромкой на витке двухзаходного шнека Удовлетворительное резание группы стеблей зерновых колосовых. Хорошее резание единичных стеблей. При резании группы стеблей создается сложность попадания их в режущую пару из-за двухзаходного шнека.
7 бесподпорный открытого типа с однозаходным шнеком и дополнительными режущими сегментами Хорошее резание стеблей зерновых, зерновых колосовых, камыша. Отсутствие кожуха способствует разбрасыванию измельченных стеблей.
Выводы
По результатам проведенных исследований рекомендуются следующие параметры и режимы работы:
- для бесподпорного среза стеблей подсолнечника: частота вращения шнека - 431 мин-1; угол наклона режущего сегмента - 54 град; шаг сегментов - 92 мм;
- для бесподпорного среза стеблей кукурузы (обратное вращение шнека): частота вращения шнека - 532 мин-1; угол наклона режущего сегмента - 51 град; шаг сегментов - 180 мм.
- для бесподпорного среза стеблей пшеницы: частота вращения шнека - 623 мин-1; угол наклона режущего сегмента - 56 град; шаг сегментов -127 мм.
Анализируя результаты теоретических и экспериментальных данных сходимость значения угла наклона лезвия составляет для подсолнечника -20 %, кукурузы 6 %, пшеницы - 19 % (рисунок 13).
Рисунок 13 - Сходимость теоретических и экспериментальных значений угла наклона
режущего сегмента
Библиографический список
1. Трубилин Е.И. Альтернативный режущий аппарат механических косилок/ Е.И. Трубилин, Е.В. Труфляк, И.С. Труфляк // Техника и оборудование для села. - 2013. - № 2. - С. 10-12.
2. ОСТ 70.8.2-82. Испытания сельскохозяйственной техники. Косилки, косилки-плющилки и косилки с порционным сбросом. Программа и методы испытаний [Текст]. - Введ. 1983-06-01. - М.: Стандартинформ, 1983. - 54 с.
3. ГОСТ 8.207 - 76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений [Текст]. - Введ. 01.01.1977. - М.: Изд-во стандартов, 1976.
References
1. Trubilin E.I. Al'ternativnyj rezhushhij apparat mehanicheskih kosilok/ E.I. Trubi-lin, E.V. Trufljak, I.S. Trufljak // Tehnika i oborudovanie dlja sela. - 2013. - № 2. - S. 10-12.
2. OST 70.8.2-82. Ispytanija sel'skohozjajstvennoj tehniki. Kosilki, kosilki-pljushhilki i kosilki s porcionnym sbrosom. Programma i metody ispytanij [Tekst]. - Vved. 1983-06-01. - M.: Standartinform, 1983. - 54 s.
3. GOST 8.207 - 76. Prjamye izmerenija s mnogokratnymi nabljudenijami. Metody obra-botki rezul'tatov nabljudenij [Tekst]. - Vved. 01.01.1977. - M.: Izd-vo standartov, 1976.
