CC BY
17
УДК 631.358:633.521
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОМБАЙНОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА
Александр Андреевич Жуков, к. техн. н., доцент
ФГБОУВПО «Великолукская ГСХА», Россия, г. Великие Луки
Проанализировано состояние льноводства в Российской Федерации и выявлены основные недостатки при уборке льна-долгунца. Рассмотрены теоретические предпосылки совершенствования комбайновой технологии уборки льна-долгунца. Выявлены основные закономерности центробежной сепарации льновороха и отмечены положительные стороны рекомендуемых нововведений в технологии.
Ключевые слова: льноворох; уборка; путанина; сепарация; семена.
Лен-долгунец известен как уникальный источник натурального, экологически чистого сырья для производства различных товаров технического и бытового назначения. При этом используется 95-96% массы стебля, и лен-долгунец по праву считается главной и единственной технической культурой России.
В настоящее время в Российской Федерации основная часть посевов льна убирается с использованием комбайновой технологии. Технологический процесс комбайновой уборки льна-долгунца состоит из поточных операций: теребление стеблей, очес влажных коробочек и расстил вегетирующих растений. Коробочки и свободные семена при очесе перемешиваются с путаниной стеблей, сорняками и почвой.
Переработка неоднородной по составу и влажности массы, получившей название «льноворох», возможна после высушивания всех компонентов. Поскольку влажность частей стеблей льна и сорняков в 4-5 раз превышает влажность семян, это приводит к их пересушке и последующему травмированию при обмолоте.
Посевные площади льна сократились за последние годы в 5 раз. Урожайность волокна и семян снижается. По многолетним данным теряется до 30% выращенного урожая льноволокна и до 50% - семян. Из-за низкой готовности оборудования и значительных затрат на сушку в некоторых случаях хозяйства вынуждены отказаться от нее, и ворох просто выбрасывают в поле. Расход топлива на сушку вороха составляет
до 50% от общего расхода на уборку.
Для снижения содержания пу-танины в ворохе хозяйства вынуждены смещать начало уборки на более поздние, чем установлено, агро-сроки. Это в свою очередь определяет время подъема тресты: сентябрь и даже октябрь. Тем самым усугубляются и без того сложные условия во время подъема тресты.
Изменить состав льновороха возможно путем сепарации влажного вороха на стационаре, мобильными устройствами и путем совершенствования очесывающего устройства. Известные сепарирующие устройства изготовлены на основе клавишных соломотрясов, к недостаткам которых следует отнести большие потери семян с путаниной и нарушение технологического процесса при повышении влажности и подачи льновороха. Очесывающие аппараты принципиально нового типа способны снизить отход путани-ны в ворох только в отдельных случаях (при выровненных, строго параллельных стеблях, отсутствии сорняков и т.д.), в настоящее время они не получили широкого распространения и применяются на некоторых машинах для раздельного способа уборки. Производить уборку льна раздельным способом в Северо-Западном регионе на всей посевной площади не позволяют погодные условия.
Одним из факторов дальнейшего развития льноводства является совершенствование производства
высококачественных семян с меньшими энергозатратами.
Разработка и внедрение в производство эффективных приемов и технических средств сепарации, раздельной транспортировки компонентов вороха, их теоретическое обоснование являются актуальными и имеют важное значение для науки и практики.
Наиболее благоприятные условия для удаления путанины из вороха имеют место непосредственно после очеса, когда он поступает равномерно на выгрузной транспортер и находится во взвешенном несвязном состоянии.
Анализ сепарирующих органов, применяемых на материалах, подобных льняному вороху, показал, что наиболее эффективными являются роторные устройства.
Повысить эффективность комбайновой технологии уборки льна-долгунца, снизить энергозатраты на сушку вороха, сократить сроки уборки возможно путем изменения технологической схемы комбайна. За очесывающим аппаратом устанавливается сепарирующее устройство для льновороха. Выделение коробочек и семян происходит не из спрессованного, связанного, трудноразделимого льновороха, а из взвешенного и равномерно поступающего в сепарирующее устройство.
Уменьшение массы льновороха на 50%, выделение наиболее влажной фракции - путаницы и стеблей сорняков снижает нагрузку на сушильное оборудование, энерго-
затраты и повышает посевные качества семян.
Разработана математическая модель процесса сепарации льняного вороха роторными рабочими органами для обоснования режимов работы и их влияния на степень разделения (рис. 1).
Процесс доочеса и сепарации роторным сепаратором описывается системой дифференциальных уравнений. При составлении уравнений считали, что скорость изменения фракций вороха зависит от каждой из взаимодействующих компонент.
+©
Рисунок 1 - Схема технологического процесса разделения вороха
dx
— = -ах; dt
= А х -р2 у;
dt dz
— = 8.x + 82 у - 83z; dt 1 2 3
dt ^ 2 dt
= гу;
ф.
(1)
при г е [0,Т], где 0 < Т
а, в1, в2, У, П - коэффициенты пропорциональности;
х - число неочесанных семенных коробочек;
у - число свободных семенных коробочек над сепарирующей решеткой; 2 - число свободных семян над решеткой;
- число семенных коробочек под решеткой; Е2 - число семян под решеткой.
>
Решив уравнения, с учетом начальных условий (X, Y, Z) окончательно получаем математическую модель сепарации льновороха роторным устройством в следующем виде
л = Xe; А X
y=V—
А2-a
e+
Y
A x
А2-a
-,-ßit.
z =
SiX(ß2 - a)+ S2ßxX _ , ¿2Y(ß2 - a)+ S2ß,X
(ß2 -aXS3 -а)
e a +
(ß2-a\S3 -ß2)
+
Z
2i =
SiX(ß2 -a)+S2ßiX S2Y(ß2 -a)+S2ßiX'
(ß2 - a\S3 - a) (ß2 - a)(S3 - ß2)
_(i - ea ), (ß2 -a)-ßiX (i - e ß )
a)(i e ß2(ß2-a) (i e '
e
e~ ß2t +
S3t.
A X
a
(ß2
2 _ ÄX(Slß2 -S,a + S2ß,)/_eV ÄS 2(Yß2 -Ya-ßiX)(i 2 a(ß2-a)(S3-a) 1 ; ß2(ß2-afà-ß2) У
Ä
+ —
S
Z -
3 ^ / У2\У2
SiX(ß2 -a)+S2ßiX S2Y(ß2 -a)-S2ßxX' (A2 - a)(S3 - a) (ß2 - a)(S3 - ß2 )
,-ß;
/ )+
(i - e "S3t )
>
Выражения системы (2) определяют структуру льновороха, то есть содержание в нем отдельных компонент (x, y, z), количество коробочек (S,) и отсепарированных семян льна (S2) через промежуток времени t после поступления вороха в роторный сепаратор. Коэффициенты пропорциональности а, ß1, ß2, ô1, ô2, Ô3, y, n выражают скорость изменения каждой из компонент, то есть являются частными коэффициентами сепарации (полноты выделения).
Центробежные сепараторы имеют активные зоны сепарации, где льноворох совершает вращательное движение, способствующее
выходу семян. Определим коэффициент сепарации (относительную массу вышедших из вороха семян) для этой зоны по выражению
Х =
m, - m
m
(3)
где т1 - начальная масса частицы вороха, захваченной зубом вращающегося барабана сепаратора;
т - масса частицы в момент времени t.
Составим уравнение вращательного движения переменной массы вороха (рис. 2) вокруг оси барабана:
Рисунок 2 - Схема сил, действующих на элемент вороха в активной зоне роторного сепаратора
2 йа
тг — = М3 - mgrc sln*-' йг с
( 2 йт Л йт и\ mgcosф+та г ч--и г ч--и г ,
^ 5 * с йг ")р йг Т р
(4)
где г - радиус центра инерции вороха относительно геометрической оси барабана;
ю - угловая скорость вращения; г - текущий момент времени; М3 - вращательный момент от зуба барабана;
g - ускорение свободного падения;
гс - радиус центра масс вороха; Ф - угловая координата, отсчитанная от вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось барабана;
1 - коэффициент трения вороха о решетку;
гр - радиус решетки;
RT - касательная составляющая проекция реактивной силы на направление, касательное к решетке в сторону вращения вороха;
ит - касательная к радиусу решетки ротора, составляющая относительной скорости выхода семян.
Для модели вороха в виде однородной массы, ограниченной поверхностями барабана, решетки и двумя радиальными плоскостями, проходящими через геометрическую ось барабана, определили радиус центра инерции вороха относительно геометрической оси барабана и радиус центра масс вороха. Выполнив переход от временной переменной г к угловой ф, получили неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка для переменной
массы вороха, подставив в которое значение т из (3), получили уравнение сепарации
аф
+ Erf х = Erf -
M,
m,
(5)
Уравнение (5) следует решать при начальном условии х(ф1) = 0.
Выполнив ряд преобразований и допущений, получили упрощенное решение уравнения, которое при начальном условии х(ф1) = 0 имеет решение
х = a-b (l - e-,
а
где
а =
b =
(®Uni) r
N
mi®6 {®UnT) rp
(6)
(7)
(8)
Выражение (6) показывает, что эффективность сепарации увеличивается при уменьшении соотношения b/a и увеличении показателя степени а(ф - ф1). Уменьшать значение соотношения Ь/а можно увеличением угловой скорости барабана ю по выражениям (7) и (8), а увеличить значение выражения а(ф - ф1) можно только конструктивно - увеличением угла обхвата Аф барабана решеткой.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют дать рекомендации по выбору основных параметров и режимов работы роторного сепарирующего рабочего органа для отделения семян и семенных коробочек от пута-нины. Применение сепаратора позволяет повысить качество семян и производительность сушильного оборудования, сократить трудо- и энергозатраты.
Список литературы
1. Жуков А.А. О выделении льносемян из вороха в активной зоне центробежного сепаратора / А.А. Жуков, Ю.И. Волошин, С.А. Катченков // Техника в сельском хозяйстве. - 2002. - №6. -С.8-10.
2. Теоретическое обоснование центробежного сепаратора льновороха / А.А. Жуков, А.П. Павлов // Аграрные регионы: тенденции и механизмы развития: Межд. науч.-практ. конф. -. Курган: Курганская ГСХА, 2012.
E-mail: zukov5@mail.ru
182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, Великолукская ГСХА. Тел.: (81153) 7-16-22
