Міністерство аграрної політики України

Кримський державний аграрний університет

Самарін Олександр Євгенович

УДК 631.355 (043.3)

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ

ТА КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ РОБОЧИХ ОРГАНІВ

КУКУРУДЗОЗБИРАЛЬНИХ КОМБАЙНІВ

Спеціальність 05.05.11 – Машини і засоби

механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сімферополь – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському державному технічному університеті, Київському науково-дослідному інституті механізації та електрифікації сільського господарства УААН і головному спеціалізованому конструкторському бюро ВАТ “Херсонські комбайни” в 1990-2001 р.р.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, професор Шмат Констянтин Іванович, Херсонський державний технічний університет, завідувач кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук Райхман Давід Бен`ямінович, науково-виробнича фірма “Елкор”,

м. Сімферополь, головний конструктор по сільськогосподарським машинам.

2. Кандидат технічних наук, доцент Бондарєв Віктор Тимофійович, Херсонський державний аграрний університет, доцент кафедри механізації і охорони праці.

Провідна установа

Кіровоградський державний технічний університет, Міністерство освіти і науки України,

м.Кіровоград.

Захист відбудеться 25.06.2003 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої ради

К 52.805.03 Кримського державного аграрного університету за адресою 95492, м. Сімферополь,

с. Аграрне.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Кримського державного аграрного університету за адресою 95492, м. Сімферополь, с. Аграрне.

Автореферат розісланий 23.052003 року.

Вчений секретар спеціалізованої ради: Вербицький О.П.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні вітчизняні кукурудзозбиральні комбайни призначені для збирання всього біологічного врожаю кукурудзи за один прохід машини. В їх конструкторсько-технологічних схемах поєднані пікерно-стриперні качановідокремлювачі, роторні різальні апарати і миси пасивного типу.

Аналіз роботи роторного різального апарату показав, що по цілому ряду агротехнічних показників він поступається сегментному апарату, а саме:

- енергомісткість вища в 5…6 разів;

- висота зрізу вища в 2…3 рази і не відповідає вимогам по якості ;

- засміченість зрізаної листостеблевої маси не відповідає вимогам по якості до кормів;

- підвищені втрати листостеблевої маси.

Застосовані качановідокремлювачі морально застаріли і перевищують закордонні аналоги по довжині на 20…30%, а по масі на 15…20%. Крім того, вони відрізняються підвищеними втратами зернової частини врожаю.

Миси пасивного типу не в достатній мірі сприяють просуванню піднятих стебел у жатку. Качани, що впали на миси, скочуються з них на грунт і втрачаються.

Недосконалість технологічного процесу і окремих робочих органів приводить до зниження агротехнічних показників всього комбайна, підвищення втрат врожаю і перевитрат енергоносіїв.

У зв’язку з цим, удосконалення технологічних режимів та конструктивних параметрів робочих органів кукурудзозбиральних комбайнів є актуальним питанням.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи пов’язана з тематичними планами науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт ГСКБ ВАТ “Херсонські комбайни” на 1990-2002 р.р. і виконана у відповідності з Постановою Ради Міністрів УРСР № 44 від 23.02.1990 р. “Про розробку і виробництво в 1990-1995 роках техніки для вирощування, збирання і переробки кукурудзи”.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення агротехнічних показників кукурудзозбиральних комбайнів, призначених для збирання всього біологічного врожаю кукурудзи за один прохід машини.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

2

- визначити та обгрунтувати перспективний напрямок вдосконалення технології збирання всього біологічного врожаю кукурудзи за один прохід комбайна;

- опрацювати теоретичні передумови і встановити основні чинники, що визначають агротехнічні показники качановідокремлювача, різально-транспортуючого пристрою та активного миса;

- обгрунтувати конструкторсько-технологічну схему, оптимальні конструк-тивні та кінематичні параметри пікерно-стриперного качановідокремлювача, сегментного різально-транспортуючого пристрою та активного миса;

- дослідити фізико-механічні властивості кукурудзи, які впливають на якість технологічного процесу прокатування стебел і відокремлення качанів, а також зрізання і транспортування стебел;

- провести лабораторно-польові дослідження і виробничу перевірку комбайна з оптимізованими робочими органами та схемою їх взаємного розташування;

- оцінити техніко-економічну ефективність поєднання в одну конструкторсько-технологічну схему пікерно-стриперного качановідокремлювача і сегментного різально-транспортуючого пристрою.

Об`єкт дослідження – технологічний процес захоплення і прокатування стебел з відокремленням качанів, а також їх зрізання і транспортування бітером у шнек.

Предмет дослідження – пікерно-стриперний качановідокремлювач, сегментно-бітерний різально-транспортуючий пристрій і активний мис коливального типу, які поєднані в одну конструкторсько-технологічну схему.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведені з використанням методів математичного аналізу і моделювання. Експериментальні дослідження проводились із застосуванням методу фізичного моделювання та наукового планування експерименту. Використано метод лабораторно-виробничого експериментування і тензометрування із залученням пересувної тензостанції на базі автомобіля. Результати досліджень оброблені методами математичної статистики з використанням ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше встановлено математичні залежності, що пов`язують оптимальне положення пікерно-стриперного качановідокремлювача і сегментного різально-транспортуючого пристрою в залежності від геометричних характеристик стебла, робочих органів, а також кута нахилу качановідокремлювача.

2. Вперше проаналізовано технологічний процес відокремлення качанів пікерно-стриперним качановідокремлювачем щодо втрати зернової частини врожаю і отримано рівняння, що пов`язує

3

дальність викидання качана в залежності від геометричних і кінематичних параметрів протягуючих вальців, а також кута нахилу качановідокремлювача до горизонту.

3. Вперше проаналізовано технологічний процес прокатування стебел пікерно-стриперним качановідокремлювачем щодо впливу на стеблостій і отримано рівняння, що пов`язує кут нахилу стебла в залежності від кінематичних показників роботи комбайна і кута нахилу качановідокремлювача до горизонту. Визначено кінематичний режим роботи вальців.

4. Вперше проаналізовано технологічний процес транспортування часток стебел бітером щодо втрат листостеблевої частини врожаю і отримано рівнян-

ня, що пов`язує положення бітера відносно сегментного різального апарату і очищуючого пристрою з кінематичними характеристиками бітера і швидкістю комбайна.

5. Вперше в кукурудзозбиральному комбайні застосовано активний мис і визначено умови зниження тягового опору при підйомі полеглих стебел, а також умови транспортування качанів по його робочій поверхні.

Практичне значення одержаних результатів. Результати науково-технічних досліджень і розробок були використані при проектуванні і виготовленні причіпних кукурудзозбиральних комбайнів ККП-1 і ККП-2С, модернізованого самохідного комбайна КСКУ-6Б, жатки до універсального енергетичного комплексу К-6, адаптерів АКД-6 і АКР-6 до комбайнів “ДОН-1500” і СК-10 відповідно, а також жатки КМС-6 до першого українського самохідного зернозбирального комбайна КЗС-9 “Славутич” і жатки КМА-6 до першого українського аксиально-роторного комбайна КЗСР-9 “Славутич”. Всі машини були розроблені в ГСКБ ВАТ “Херсонські комбайни” і виготовлені на виробничих площах акціонерного товариства.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором особисто проведено теоретичне обгрунтування технологічних режимів та конструктивних параметрів пікерно-стриперного качановідокремлювача, сегментно-бітерного різально-транспортуючого пристрою і активного миса, які поєднано в одну конструкторсько-технологічну схему. Здобувачем самостійно розроблено конструкцію експериментальної установки, проведено серію дослідів і виробничу перевірку розроблених технологій і засобів механізації. Здобувачем самостійно розроблено новий пікерно-стриперний качановідокремлювач, різально-транспортуючий пристрій та активний мис. Розроблено програму досліджень з використанням сучасних методів і обладнання. Всі розробки передані у серійне виробництво. Основні результати досліджень отримані автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником.

4

Апробація результатів дисертації. Головні положення дисертації були заслухані і схвалені на науково-технічних радах ГСКБ ВАТ “Херсонські комбайни”, м. Херсон,1991-2002 р.р.;

наукових засіданнях лабораторії просапних культур ІМЕСГ УААН, с.м.т. Глеваха Київської обл., 1993-1998 р.р.; наукових семінарах кафедри “Технології машинобудування” і “Сільськогосподарського машинобудування” Херсонського державного технічного університету, м. Херсон, 2000-2002 р.р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 робіт, у тому числі 1 навчальний посібник,

1 винахід і 5 статей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п`яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків, в тому числі акту про впровадження у виробництво результатів науково-технічних досліджень. Робота викладена на 178 сторінках, містить 43 таблиці, 55 рисунків і 19 сторінок додатків. Список використаної літератури включає 119 найменувань, з них 13 на іноземних мовах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета роботи та основні положення. що виносяться на захист.

В першому розділі “Стан питання і вибір напрямків досліджень” розглянуто основні робочі органи та проаналізовано конструкторсько-технологічні схеми комбайнів, призначених для збирання всього біологічного врожаю кукрудзи за один прохід машини.

Розглянуто проблеми машинного збирання зернової частини врожаю. Проведено порівняльний аналіз технологічних схем і ефективності роботи найбільш поширених качановідокремлюючих систем. Питаннями дослідження роботи рядкових качановідокремлювачів займались Анісімова Л.І., Карпуша П.П., Конопельцев М.М., Деревенко В.В. В працях цих авторів розглянуто особливості технологічних процесів транспортування стебел, а також відокремлення качанів. Проте, ще недостатьо вивчені питання оптимізації процесу роботи качановідокремлюючих систем щодо зменшення втрат зернової частини врожаю, а також габаритних розмірів і маси качановідокремлювачів.

5

Проведено порівняльний аналіз різних типів різальних апаратів, які використовувалтсь в кукурудзозбиральних комбайнах. Аналіз показав, що сегментний різальний апарат по цілому ряду агротехнічних показників випереджає роторний, який встановлено на сучасних вітчизняних кукурудзозбиральних комбайнах.

В роботах Горячкіна В.П.,Босого Є.С., Рєзніка Н.Є. досконально розроблені питання теорії сегментного різального апарату, обгрунтовані кінематичні і динамічні параметри, дано рекомендації по вибору режимів роботи апарату на різних агротехнічних фонах. Проте не вивчались питання роботи сегментних різальних апаратів в комплексі з пікерно-стриперним качановідокремлювачем.

Далі проведено огляд та аналіз конструкторсько-технологічних схем комбайнів, призначених для збирання всього біологічного врожаю кукурудзи. Дано класифікацію качановідокремлюючих вальців.

Спроби об`єднати в одній технологічній схемі пікерно-стриперний качановідокремлювач і сегментний різальний апарат були здійснені в роботах Гребенюка Г.І. і Кузенка Д.В. В їх роботах проведено теоретичне обгрунтування технологічної схеми, виконані необхідні експериментальні дослідження. Але заміна роторного різального апарату на сегментний відбувалась механічно, без оптимізації всієї конструкторсько-технологічної схеми, що зумовило її нероботоздатність. Не були вивчені питання оптимального розміщення качановідокремлювача і бітера, положення бітера відносно сегментного різального апарату.

Аналіз літературних джерел і відомих конструкторсько-технологічних схем показав, що в кукурудзозбиральних комбайнах активні миси не застосовувались, а їх робота не вивчалась. В роботах Є.С.Рєзніка длсліджувались тільки миси пасивного типу для кормозбиральних машин.

Аналіз результатів досліджень конструкторсько-технологічних схем кукурудзозбиральних комбайнів, призначених для збирання всього біологічного врожаю за один прохід машини вказує на відсутність надійних конструкцій, здатних якісно виконувати технологічний процес збирання зернової і листостеблевої частини врожаю з мінімальними енерговитратами і в межах агротехнічних вимог.

За матеріалами першого розділу сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі “Теоретичні дослідження процесу роботи робочих органів кукурудзозбиральних комбацнів” висунуто робочу гіпотезу про конструкторсько-технологічні можливості оптимізації схеми сумісного застосування пікерно-стриперного качановідокремлювача і сегментного різального апарату. Вона полягає у тому, що у зв`язку з

6

пасивністю сегментного різального апарату щодо передачі зрізаної маси через себе, стебла при прокатуванні вальцями треба нарізати на окремі частини і подавати у зону, яка знаходиться за різальним апаратом, при цьому саме стебло має бути надійно захоплене вальцями.

Для зменшення втрат зерна і листостеблевої маси, а також травмованості качанів розроблено вимоги, яким повинні відповідати як окремі робочі органи, так і вся конструкторсько-технологічна схема кукурудзозбирального комбайна.

Розроблено і обгрунтовано оптимізовану конструкторсько-технологічну схему кукрудзозбиральної жатки (рис.1). Виділено робочі зони технологічного процесу відокремлення качанів і транспортування зрізаних стебел.

Рис.1. Оптимізована схема кукурудзозбиральної жатки:

1 – активний мис з уловлювачами; 2 – конусний носок вальця; 3 – протягуючі вальці;

4 – стриперна пластина;5 – транспортуючий ланцюг; 6 – шнек качанів; 7 – сегментний

різальний апарат; 8 – транспортуючий бітер; 9 – шнек стебел; 10 – захисний кожух;

11 – очищувальний пристрій; 12 – ніж.

Аналіз технологічного процесу качановідокремлення дозволяє виділити такі робочі зони:

S1, S2 – зони орієнтації стебла мисами 1 і захвату його конусними носками 2 протягуючих вальців;

S3 – зона повного прокатування стебел вальцями 3, відриву качанів на стриперних пластинах 4 і транспортування їх ланцюгами 5;

7

S4 – зона сходу відірваних качанів у шнек.

Технологічний процес зрізання і транспортування стебел можна разділити на такі зони:

L1 – зона початку протягування стебла вальцями 3 до впирання його у різальний апарат 7;

L2 – зона зрізання стебла;

L3 – зона просування зрізаного стебла до захоплення бітером 8 ;

L4 – захоплення стебел транспортуючим бітером 8 і передача їх в шнек 9.

Виділення і теоретичний аналіз основних зон технологічного процесу дозволив виявити головні чинники, що впливають на стабільність і якість його протікання.

Як видно з рис.2 взаємне положення вальців і бітера визначається двома координатами –відстанню між ними по вертикалі hб і горизонталі Lб.

Рис.2. Розрахункова схема до визначення взаємного положення

протягуючих вальців і транспортуючого бітера

8

Зону повного прокатування стебел можна визначити як через геометричні параметри робочих органів

S3 = LрCosв + dб + Sбш + Dш , (1)

де Lр – довжина різального апарату; dб – діаметр бітера;

Sбш – відстань між бітером і шнеком; Dш – діаметр шнека;

в – к?т нахилу прокатуючих вальців до горизонту

так і через геометричні параметри стебел

S3 = (hсm – ha – hб + Дh) Sinв , (2)

де hсm – висота стебла; ha –- висота зрізання;

hб – висота розташування бітера; Дh – ?оложення бітера відносно різального апарату.

Прирівнявши вирази (1) і (2) знайдемо відстань між вальцями і бітером по висоті hs:

hб = hcm – ha +Дh – (3)

З рис. 2 видно, що

Lб = L1 + L2 + L3 + (4)

Складові цієї формули можна визначити через такі вирази

L1 = (hб – Дh)tgв і L2 + L3 =Lp + ДS , (5)

де ДS – з?зор між різальним апаратом і транспортуючим бітером.

Підставимо вирази (3) і (5) у рівняння (4), знайдемо відстань між вальцями і бітером по горизонталі

(6)

На рис.3 показано, що в момент відокремлення від стебла качан може вилітати з качановідокремлювача зі швидкістю Vр на відстань Х. На цій відстані необхідно встановити уловлюючий пристрій, що буде запобігати втратам зернової частини врожаю.

Загальний час польоту качана буде дорівнювати

, (7)

де t1 – час підйому качана від точки відриву до верхньої точки траекторії;

t2 - час падіння качана з верхньої точки до торкання з уловлювачем;

- кут нахилу качановідокремлювача до горизонту.

9

Рис.3. Розрахункова схема до визначення дальності викидання качана

Дальність польоту качана відносно точки його відокремлення від стебла

Х = V1t = Vp sin , (8)

де V1 – горизонтальна складова швидкості качана;

h2 – відстань по вертикалі між точкою відриву качана та поверхнею

уловлювача.

За час польоту качана комбайн пройде відстань

Sк = Vкt = Vк, (9)

де Vк – швидкість комбайна.

Качан прикріплено до стебла за допомогою плодоніжки, на розривання якої витрачається певна енергія. З урахуванням цих витрат, а також переміщення комбайна за час польоту качана, місце встановлення уловлюючого пристрою визначається наступним виразом

Sм = (Vp sin - Vк)Kk, (10)

де Kk = - коефіцієнт дальності викидання качана;

S1 та S2 – відповідно дальність викидання качана, діаметр плодоніжки якого наближено до 0 і такого, що закріплено на повноцінній плодоніжці.

На рис.3 показано, що в момент відокремлення від стебла качан може вилітати з качановідокремлювача зі швидкістю Vр на відстань Х. На цій відстані необхідно встановити условлюючий пристрій, що буде запобігати втратам зернової частини врожаю.

10

Для нормальної роботи комбайна параметри і режими роботи прокатуючих вальців і швидкість руху комбайна мають бути узгоджені між собою з тим, щоб забезпечити безперервність процесу і попередити накопичення стебел перед вальцями. Ця умова може бути виконана у тому випадку, коли результуюча швидкість прокатування стебел буде направлена у сторону, протилежну руху комбайна, як це показано на рис.4.

Рис.4. Схема роботи прокатуючих вальців

Абсолютна швидкість точки захоплення стебла С буде дорівнювати

, (11)

де Vk – швидкість комбайна;

Vnp – швидкість прокатування стебел вальцями;

– кут нахилу вальців до горизонту.

З трикутника швидкостей складаємо співвідношення

, (12)

де ?пр – кут прокатування стебел вальцями.

11

Після математичних перетворень виразу (12) отримаємо вираз для визначення кута нахилу стебла в процесі прокатування

, (13)

Із співвідношення (13) і рис (4) видно, що при кут ?с = і абсолютна швидкість Vc направлена у сторону комбайна – технологічний процес протікає нормально. У випадку, коли ?с > абсолютна швидкість буде направлена у сторону ще не зрізаного стебла. В цьому разі стебла при зустрічі з вальцями будуть відхилятись по ходу руху комбайна, що погіршує умови їх захоплення.

Для забезпечення безперервності роботи прокатуючих вальців необхідно, щоб виконувалась наступна вимога

t1 t2 + t3 , (14)

де t1 – час переміщення комбайна на шляху розташування стебел у рядку;

t2 – час перміщення точки D у точку А (рис.4);

t3 – час, необхідний для прокатування вальцями відрізку стебла ?hпр , що залишився після його часткового прокатування на шляху L.

Знайдемо значення складових виразу (14)

(15)

Підставивши отримані значення (15) у вираз (14) і виконавши необхідні математичні перетворення отримаємо вираз для визначення кінематичного коефіцієнту роботи вальців

, (16)

де Sk – відстань між стеблами у рядку;

L– відстань між точками захоплення стебла вальцями і повороту його на кут ; –

кут нахилу вальців до горизонту.

Втрати листостеблевої маси залежать від положення транспортуючого бітера відносно сегментного різального апарату і кінематичного показника його роботи.

При роботі транспортуючого бітера лопаті виконують складний рух – обертаються зі швидкістю навколо осі бітера і рухаються поступально зі швидкістю комбайна Vk (рис.5).

12

Рис.5. Схема до визначення положення транспортуючого:

1 – транспортуючий бітер; 2 – різальний аппарат; 3 – очищуючий пристрій.

Траекторія абсолютного руху точки А1 кінця лопаті у параметричній формі має вигляд

Х = Vkt + RбCos щt

Y= Rб (1 + Sin щt) (17)

Якщо прийняти, що в момент збігу кінця лопаті з лінією різу різального апарату її абсолютна швидкість направлена уверх, то надалі ця швидкість буде направлена у сторону шнека.

Продиференціювавши перший вираз з системи рівнянь (17) і прирівнявши його до нуля, знайдемо кут повороту лопаті бітера

, (18)

де – кінематичний показник роботи бітера, що у значній мірі

визначає якість його роботи;

13

Rб – радіус бітера;

щ – кутова швидкість обертання бітера.

З другого рівняння системи (17) знаходимо кут повороту лопаті в момент підходу її до лінії різу

, (19)

де – положення бітера відносно різального апарату.

Зіставляючи вирази (18) і (19), отримаємо рівняння для визначення положення бітера відносно різального апарату

. (20)

Положення осі бітера відносно площини очищуючого пристрою має великий вплив на нормальне проходження технологічного процесу транспортування часток стебел.

Як видно з рис.5 значення проекції результуючої швидкості Vр2 руху частки матеріалу на вісь Х1 можна визначити з наступного рівняння

Vр2х= Vлоп Sin бл – Vкол Sin бс , (21)

де Vлоп – швидкість руху частки вздовж лопаті;

Vкол – колова швидкість частки стебла;

бл – кут між Vлоп та віссю У1 ; бс – кут між Vкол та віссю У1.

Знайдемо положення кінця лопаті бітера при умові, що проекція результуючої швидкості на вісь Х1 дорівнює 0, тобто Vр2х = 0.

Прирівнявши рівняння (21) до 0, отримаємо

(22)

З трикутника ВОС можна визначити положення кінця лопаті, тобто точки С

Дh1= a – hc= Rб Sin бc , (23)

де hc – розмір порції маси, що сходить з лопаті;

Rб – радіус бітера.

Підставивши значення з рівняння (22) у вираз (23) і виконавши необхідні математичні перетворення, отримаємо залежність для визначення положення осі бітера відносно площини очищувача за умови нормального проходження технологічного процесу

. (24)

14

В сучасних кукурудзозбиральних комбайнах застосовують миси пасивного типу. Порівняно з ними, запропонований активний польовий мис, що коливається (рис.6), має ряд переваг, основні з яких:–

зниження втрат полеглих стебел із закріпленими на них качанами за рахунок зменшення тягового опору , що пов`язано їз зниженням кута нахилу робочої площини при входженні у масу;–

зниження втрат зернової частини врожаю за рахунок уловлювання качанів, що вилетіли з качановідокремлювача при відокремленні від стебел, і направлення їх у жатку.

Рис.6 Схема активного миса:

1 –робоча поверхня; 2 –підвіска; 3 –кривошипно-шатунний механизм;

4 – лінія коливання; 5–приводне колесо; 6 –уловлювачі.

Умова зниження тягового опору у порівнянні з пасивним мисом має наступний вигляд

є ? ?м , (25)

де ? – кут направлення результуючої швидкості кінця миса;

бм– кут нахилу робочої поверхні миса до горизонту.

Кут ? визначимо з трикутника АВС

tg е = , (26)

де Vк.в і Vк.г – відповідно вертикальна і горизонтальна

складові швидкості коливання миса.

З рис. (6) видно, що

15

Vк.в = щr Sin (б м +в п) Sin щt (27)

Vк.г = щr Cos (б м +в п) Sin щt (28)

Підставляючи вирази (27) і (28) у формулу (26) отримаємо

tg е = (29)

Максимальне значення кут ? прийме при ?t = і становитеме

еmax = arctg (30)

Кутова швидкість приводного колеса дорівнює ? = , (31)

де R – радіус приводного колеса.

Підставивши у вираз (30) значення кутової швидкості (31) і виконавши необхідні математичні перетворення, отримаємо

еmax = arctg (32)

Підставимо значення (32) у вираз (25) і отримаємо умову зниження тягового опору у кінцевому вигляді

arctg (33)

Умовою транспортування захоплених качанів активним мисом у жатку буде їх підкидання у момент переміщення миса уперед. Підкидання качанів, що лежать на мису, буде відбуватися під дією сили інерції J, коли вона направлена уверх від робочої поверхні миса за умови

J1 = G1 , (34)

де J1 і G1 – нормальні до робочої поверхні миса складові сили інерції та ваги качана.

Зі схеми на рис. (6) видно, що

J1 = J Sin вп = mщ2r Sin вп Cos щt , (35)

G1 = G Cos бм = mg Cos бм (36)

Підставляючи вираз (35) і (36) у формулу (34), отримаємо

mщ2r Sin вп Cos щt ? mg Cos бм (37)

Тоді загальна умова відриву качана буде мати вигляд

щ2r = . (38)

16

Початок руху миса уперед у фазі повороту кривошипа ?t0 відповідає моменту, коли при відносному переміщенні проти ходу комбайна горизонтальна складова швидкості коливання миса

Vк.г зменшуючись, досягне величини, що дорівнює швидкості комбайна. З урахуванням виразу (28) маємо

щr Sin щt0 Cos (бм+ вп) = Vм (39)

З останнього виразу (39) отримаємо наступне рівняння

Sin щt0 = (40)

Підставимо залежності (31) і (40) у вираз (38), виконаємо перетворення і отримаємо умову відриву качана в момент початку руху миса уперед

щ2r = . (41)

В третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” розкриті програма, умови, загальна методика проведення досліджень, а також використані при цьому прилади, пристосування і лабораторно-польові установки.

Програма передбачала експериментально дослідити такі показники:

1) фізико-механічні властивості, а також геометричні характеристики стебел кукурудзи, що мають найбільший вплив на технологічний процес, а саме: –

висота стебел; –

діаметри стебел; –

опір стебла стисканню рифом вальця; –

коефіцієнт тертя певних фракцій нарізки стебел і їх залежність від сорту кукурудзи і фази її стиглості;

2) кінематичні і динамічні параметри качановідокремлювача і різально-транспортуючого пристрою: –

оптимальне розміщення різального апарату відносно прокатуючих вальців і їх вплив на процес зрізання і транспортування стебел; –

швидкісні режими різання стебел і пересування комбайна; –

швидкість протягування стебла вальцями; –

захоплююча здатність різних типів вальців; –

швидкість обертання транспортуючого бітера;

17 –

енергомісткість процесів качановідокремлення, зрізання і транспортування стебел;

3) польові випробування нових кукурудзозбиральних комбайнів ККП–1, ККП–2С і ККП–3 “Херсонець–201” з оптимізованими робочими органами і схемою їх розміщення: –

повнота збирання зернової і листостеблевої частин врожаю; –

надійність протікання технологічного процесу.

В експериментальних дослідженнях використовувався розроблений нами спеціальний стенд з “рухомим полем”. Конструкція стенда передбачала можливість зміни в широких межах кута нахилу качановідокремлювача від 15о до 35о, легкоз`ємність прокатуючих вальців і різально-транспортуючого пристрою, зміну швидкісних режимів цих вузлів.

При дослідженні і плануванні експериментів використовувались методи регресивного аналізу та наукового планування експериментів при пошуку оптимальних умов. Експериментальні дані оброблялись за допомогою ПЕОМ. Визначались середні арифметичні значення, дисперсія, стандарт. Перевірка результатів експериментів на брак виконувалась по критерію Стьюдента. Перевірка однорідності дисперсій визначалась по критерію Фішера.

За даними розрахунків були побудовані математичні моделі, що описують зміну параметрів оптимізації із комплексною зміною визначаючих факторів типу

Y= . (42)

В четвертому розділі “Експериментальні дослідження” приведені дані досліджень фізико-механічних властивостей і геометричних характеристик стебел кукурудзи.

Процес качановідокремлення оцінювався за наступними критеріями:

У1– кількість втрачених качанів, %;

У2– питома енергомісткість протягування стебел, кВт·с/кг;

У3– кількість домішок листостеблевої маси у воросі качанів, % (обмеження).

В задачу експериментів входило зменшення кількості втрачених качанів і енергомісткості процесу.

В якості факторів, що визначають процес, були прийняті:

Х1– кут нахилу качановідокремлювача до горизонту;

Х2– довжина стриперних пластин по точках кріплення;

Х3– частота обертання вальців;

Х4– кут загину робочої кромки стриперної пластини.

18

Рівні та інтервали варіювання факторами були обрані з урахуванням теоретичних розрахунків і аналізу апріорної інформації і занесені в табл.1:

Таблиця 1

Рівні та інтервали варіювання факторами для качановідокремлювача

Фактори | Рівні варіювання | Інтервал варіювання | Розмірність–

1 | 0 | + 1

Х1() | 25 | 30 | 35 | 5 | град

Х2(L) | 550 | 660 | 770 | 110 | мм

Х3(nв) | 850 | 900 | 950 | 50 | хв-1

Х4()– | 30– | 15 | 0 | 15 | град

З метою зменшення кількості дослідів було обрано піврепліку повного факторного експерименту виду 24 з генеруючим співвідношенням Х4=Х1Х2Х3 і визначальним контрастом 1=Х1Х2Х3Х4.

В процесі експериментальних досліджень були вивчені два типи вальців: прокатуючі з 6-ма пасивними рифами і ріжуче-прокатуючі з 4-ма ножовими рифами. Кожен дослід проводився у трьох повторностях.

Після обробки результатів експериментів нами були отримані наступні рівняння регресій, що адекватно описують процес:

1) функція відгуку – кількість втрачених качанів: –

прокатуючі вальці

У=1,78+0,48Х1+0,41Х2+0,76Х3–0,06Х4+0,18Х1Х2–0,04Х1Х3– 0,03 Х1Х4; –

ріжуче-прокатуючі вальці

У=1,68+0,39Х1+0,31Х2+0,64Х3–0,19Х4+0,06Х1Х2–0,17Х1Х3– 0,13 Х1Х4;

2) функція відгуку – питома енергомісткість качановідокремлення: –

прокатуючі вальці

У=0,505+0,035Х1+0,043Х2+0,058Х3–0,005Х4+0,003Х1Х2–0,013Х1Х3– 0,005 Х1Х4; –

ріжуче-прокатуючі вальці

У=0,426+0,031Х1+0,029Х2+0,046Х3–0,011Х4+0,009Х1Х2–0,019Х1Х3–

0,001 Х1Х4 .

Процес роботи різально-транспортуючого пристрою оцінювався за такими критеріями:

У1– повнота збирання листостеблевої маси, % ;

19

У2–відхилення від заданої висоти зрізу, % ;

У3–якість зрізу стебел, % (обмеження).

Для заданої схеми факторами, що визначають протікання процесу, є:

Х1– відстань між ріжучим апаратом і початком прокатуючих вальців;

Х2– частота обертання бітера;

Х3– швидкість руху ножа; Х4– швидкість руху комбайна.

На підставі теоретичних розрахунків і аналізу апріорної інформації було прийнято рішення вибрати наступні рівні та інтервали варіювання факторіві занести їх в табл.2

Таблиця 2

Рівні та інтервали варіювання факторів для різально-транспортуючого пристрою

Фактори | Рівні варіювання | Інтервал варіювання | Розмірність–

1 | 0 | + 1

Х1(L1) | 110 | 220 | 330 | 110 | мм

Х2 (nб) | 250 | 300 | 350 | 50 | хв-1

Х3 (nн) | 550 | 600 | 650 | 50 | хв-1

Х4 (Vк) | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 0,5 | м/с

Експерименти проводились для двох типів бітерів:

1) з 6-ма гребінчастими лопатями;

2) з 4-ма ножовими лопатями.

В результаті обробки даних нами були отримані наступні математичні моделі:

1) функція відгуку – повнота збирання листостеблевої маси: –

бітер з гребінчастими лопатями

У=84,44+2,76Х1+2,84Х2–1,66Х3–3,14Х4+1,11Х1Х2+1,16Х1Х3+1,69Х1Х4 (22) –

бітер з ножовими лопатями

У=85,45+2,83Х1+2,93Х2–1,63Х3– 3,13Х4+1,20Х1Х2+1,25Х1Х3+ 1,60 Х1Х4 (23)

2) функція відгуку – відхилення від заданої висоти зрізу: –

бітер з гребінчастими лопатями

У=6,41+1,39Х1+0,07Х2–1,16Х3–0,81Х4+0,12Х1Х2+0,15Х1Х3+ 0,70 Х1Х4 (24) –

бітер з ножовими лопатями

У=6,58+1,37Х1+0,08Х2–1,14Х3–0,82Х4+0,12Х1Х2+0,14Х1Х3+ 0,72 Х1Х4 (25)

На рис. 7 наведено графіки залежності кількості втрачених качанів, а на рис. 8–графіки питомої енергомісткості качановідокремлення для 8-ми різновидів качановідокремлювачів з ріжуче-прокатуючими вальцями, побудовані за формулами регресій.

20

Рис.7. Графіки залежності кількості втрачених качаніввід числа обертів

ріжуче-прокатуючих вальцівдля 8-ми різновидів качановідокремлювачів.

Рис. 8. Графік залежності питомої енергомісткості качановідокремлення

від числа обертівріжуче-прокатуючих вальців для 8-ми різновидів качановідокремлювачів.

На рис. 9 наведено графіки залежності повноти збирання листостеблевої маси, а на рис. 10 – відхилення від заданої висоти зрізу стебел в залежності від швидкості руху комбайна для 8-ми різновидів різально-транспортуючих пристроїв з бітером, що має 4 ножові лопаті, побудовані за формулами регресій.

21

Рис. 9. Графіки залежності повноти збирання листостеблевої маси від швидкості руху комбайна для 8–ми різновидів різально-транспортуючих пристроїв.

Рис. 10. Графіки залежності відхилення заданої висоти зрізустебел від швидкості руху комбайна для 8-ми різновидів різально-транспортуючих пристроїв.

В цьому ж розділі наведено аналіз енергомісткості качановідокремлювача і різального апарату, визначених методом тензометричних вимірювань.

22

В п`ятому розділі “Розрахунок економічної ефективності від впровадження результатів досліджень” наведено розрахунок економічної ефективності від впровадження нового кукурудзозбирального комбайна ККП–2С з новими оптимізованими робочими органами і схемою їх розташування, розробленими на підставі досліджень, розрахунків і аналізу апріорної інформації, викладених в дисертації.

Розрахунок проводився згідно з “Методичними рекомендаціями по визначенню прибутку від використання об`єктів промислової власності”, що схвалені Методичною комісією Державного патентного відомства України і затверджені наказом Держпатенту 26 серпня 1998 р.

Отриманий економічний ефект у розмірі 24727 грн., а також зниження енергомісткості технологічного процесу, численні випробування, що підтвердили правильність розрахунків, дають підставу зробити висновок про доцільність використання отриманих результатів в сучасних кукурудзозбиральних комбайнах.

висновки

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в покращенні агротехнічних показників робочих органів кукурудзозбиральних комбайнів. Поставлена задача вирішена шляхом удосконалення технологічних режимів та конструктивних параметрів пікерно-стриперного качановідокремлювача, сегментно-бітерного різально-транспортуючого пристрою і активного миса, а також об,єднання їх в одну конструкторсько – технологічну схему.

2. Аналіз технологічних схем і конструкцій окремих робочих органів кукурудзозбиральних комбайнів показав, що найбільш оптимальними з точки зору якості та енергомісткості виконання операцій є: –

пікерно-стриперний качановідокремлюючий апарат з ріжуче-прокатуючими вальцями для збирання зернової частини врожаю; –

сегментний різальний апарат для зрізання стебел.

В світовій практиці вони разом не застосовуються.

Відомі схеми їх застосування не набули широкого вжитку у зв`язку з ненадійністю протікання технологічного процесу або намагань встановити сегментний ріжучий апарат замість роторного, не оптимізувавши при цьому всієї конструкторсько-технологічної схеми комбайна.

Миси пасивного типу не в достатній мірі сприяють зменшенню втрат листостеблевої та зернової частин врожаю.

23

3. В результаті теоретичних досліджень отримані аналітичні залежності, які дозволили:–

визначити оптимальне взаємне положення пікерно-стриперного качановідокремлювача і сегментного різально-транспортуючого пристрою в залежності від геометричних характеристик стебла, робочих органів і кута нахилу качановідокремлювача. Точне додержання розрахункових розмірів дозволило забезпечити нормальне протікання технологічного процесу прокатування стебел кукурудзи, їх зрізання і передачі у шнек стебел; –

визначити дальність викидання качана в залежності від кінематичних параметрів протягуючих вальців, а також кута нахилу качановідокремлювача . Це дозволило зменшити втрати зернової частини врожаю за рахунок встановлення активного миса з уловлювачем; –

визначити кут нахилу стебла в залежності від швидкості прокатування стебел і руху комбайна. Дотримання розрахункових даних дозволило організувати стабільний технологичний процес захоплення стебел вальцями при умові відсутності спеціальних захоплюючих пристроїв; –

визначити положення транспортуючого бітера відносно сегментного апарату і очищуючого пристрою в залежності від кінематичних і геометричних характеристик бітера і швидкості комбайна. Це дозволило зменшити втрати листостеблевої маси при її транспортуванні бітером. –

визначити умову зниження тягового опору активного миса при підніманні полеглих стебел, а також умову транспортування качанів по його робочій поверхні. Це дозволило знизити втрати листостеблевої і зернової частини врожаю.

4. В ході експериментальних досліджень роботи качановідокремлювача з двома типами вальців – прокатуючими і ріжуче-прокатуючими, а також різально-транспортуючого пристрою з двома типами бітерів – з 6-ма гребінчастими рифами і з 4-ма ножовими отримані математичні моделі технологічного процесу, що взаємопов`язують показники якості виконання основних технологічних операцій (кількості втрачених качанів, питомої енергомісткості качановідокремлення, повноти збирання листостеблевої маси, відхилення від заданої висоти зрізу) з параметрами конструкції качановідокремлювача (кутом нахилу качановідокремлювача до горизонту, довжиною стриперних пластин, частотою обертання вальців, кутом загину робочої кромки стриперної пластини) і ріжуче-транспортуючого пристрою (відстанню між ріжучим апаратом і початком прокатуючих вальців, частотою обертання транспортуючого бітера, частотою приводу сегментів, швидкістю руху комбайна).

5. Проведені дослідження дають підставу рекомендувати для застосування в кукурудзозбиральних комбайнах робочих органів з такими характеристиками:

24

1) Качановідокремлювач: –

довжина стриперних пластин по точках кріплення – 550 мм; –

кут загину робочих кромок пластин по ходу протягування стебел – 30о; –

вальці ріжуче-прокатуючого типу з 4-ма ножовими рифами ; –

довжина вальців – 860 мм; кут нахилу вальців до горизонту – 25о; –

частота обертання вальців – 850 хв-1;

2) Ріжуче-транспортуючий пристрій: –

розташування осі транспортуючого бітера відносно площини різання різального апарату – нижче на 5…10 мм; –

розташування осі транспортуючого бітера відносно площини очищуючого пристрою – вище на 10…15 мм;

– частота обертання привода ножа – 550 …600 хв-1; –

частота обертання бітера – 300…350 хв-1; діаметр бітера – 150 мм; –

бітер з 4-ма ножовими лопатями і знімально-очищувальною пластиною.

3) Конструкторско-технологічна схема:–

відстань між прокатуючими вальцями і транспортуючим бітером:

по горизонталі – 400…500 мм; по вертикалі – 300…400 мм; –

відстань між різальним апаратом і початком рифів на вальцях–160…220 мм; –

дальність встановлення захоплюючих пристроїв для качанів від початку протягуючої зони вальців– 0,8…1,0 м.

Такі параметри забезпечують повноту збирання качанів на рівні 98,5–99,8%, питому енергомісткість качановідокремлення – 0,3…0,5 кВт·с/кг, а повноту збирання листостеблевої маси – не менше 98,5%.

При використанні активних мисів з уловлювачами із співвідношенням радіуса колеса до радіуса кривошипа 2…3 (радіус колеса 150…200 мм) втрати качанів практично зводяться до 0.

6. Польові випробування кукурудзозбиральних комбайнів з рекомендованими параметрами показали, що у порівнянні з серійними в них знижені втрати качанів на 2 – 3% , пошкодження качанів на 3 – 4%, висота зрізу стебел на 10 – 20 см, а енергомісткість процесу зрізання в 5… 6 разів (з урахуванням витрат енергії на транспортування зрізаних стебел бітером – в 3…4 рази). При цьому маса качановідокремлювача знижена на 14% (22,5кг), а довжина–на 19% (267кг).

7. Річний економічний ефект від експлуатації одного кукурудзозбирального комбайна ККП-2С з оптимізованими робочими органами становить 24727 грн., а термін окупності 2 роки.

Вказані переваги повністю підтвердились у ході виробничих випробувань і були впроваджені у нових і модернізованих кукурудзозбиральних комбайнах.

25

Список опублікованих робіт

1. Диневич Г.Ю., Шмат К.І., Самарін О.Є., Карманов В.В. Теорія та розрахунок кукурудзозбиральних комбайнів: Навчальний посібник. – Херсонський ДТУ.: Олді-плюс, 2000. – 106 с. (доля здобувача – 30%, розробив основні положення, провів експериментальні дослідження).

2. Самарін О.Є. Аналіз та оптимізація схеми сумісного застосування пікерно-стриперного качановідокремлювача та сегментного різального апарату в кукурудзозбиральних комбайнах // Зб. наук. пр. Кіровоградського державного технічного університету № 6. Кіровоград: КДТУ, 2000. – С. 82 - 84.

3. Самарін О.Є. Обгрунтування граничної зони встановлення сегментного ріжучого апарату при його застосуванні з пікерно-стриперним качановідокремлювачем // Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник №31. Кіровоград: КДТУ, 2001. – С. 31 – 35.

4. Шмат К.І., Самарін О.Є. Порівняльні дослідження кукурудзозбиральних комбайнів з традиційними і оптимізованими робочими органами // Вісник Херсонського державного технічного університету. Херсон: ХДТУ, 2002 . – С. 365 – 368 (доля здобувача – 50%, розробив конструкторсько-технологічну схему, провів експериментальні дослідження).

5. Активный полевой делитель. А.с. 1683549 СССР, МКИ А 01 D 63/00/ А.Е.Самарин, Б.А.Кушков (СССР). – №279239; Заявлено 20.11.89; Опубл. 15.10.91, Бюл. №38. – 2 с. ( доля автора – 80%, розробив конструкцію, провів розрахунки і випробування).

6. Качан В.Т., Самарін О.Є. Кукурудзозбиральний комбайн насіннярам і фермерам // Техніка АПК. – 1995. – № 3. – С. 18-19.(доля автора – 75%, розробив, розрахував і провів дослідження нових робочих органів).

7. Кривошея М.О., Кифоренко В.І., Самарін О.Є. Виробництво кукурудзи при звужених міжряддях // Пропозиція. – 2000. – № 8. – С. 84 – 85.(доля автора – 50%, розробив, розрахував і дослідив комбайн ККП-4Х45).

26

АНОТАЦІЯ

Самарін О.Є. “Удосконалення технологічних режимів та конструктивних параметрів робочих органів кукурудзозбиральних комбайнів”.

Дисертація у вигляді рукопису на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальностю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Кримський державний аграрний університет, Сімферополь, 2003.

Проведено аналіз існуючих засобів механізації збирання кукурудзи на зерно, запропонована оптимізована конструкція пікерно-стриперного качановідокремлювача, сегментного різально-транспортуючого пристрою і активного миса, приведені необхідні теоретичні дослідження; визначені їх оптимальні геометричні і кінематичні параметри. Експериментальні дослідження дозволили обгрунтувати і оптимізувати тип та основні параметри роботи пікерно-стриперного качановідокремлювача, бітерного різально-транспортуючого пристрою та активного миса.

Ключові слова: качановідокремлювач, різально-транспортуючий пристрій, бітер, активний мис, втрати зерна, втрати листостеблевої маси, енергомісткість.

SUMMARY

Alexander E. Samarin

Improvement technological regimens and constructional parameters of working organs maize combines.

Thesis (a manuscript) of the candidate of sciences degree (technology), speciality 05.05.11– machines and means for mechanization of agricultural manufakture.Crimean State Agrarian University, Simferopol, 2003.

Analysis of the means of mechanization of the barvesting process for the corn grains has been carried out. Improvement technological regimens and constructional