ВВЕДЕНИЕ
ЛУГАНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БАХАРЄВ ДМИТРО МИКОЛАЙОВИЧ
УДК 631.361.022.003.13:
62-115.001.63:633.15(043)
пІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ОБМОЛОТУ І
РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ МОЛОТАРКИ КАЧАНІВ КУКУРУДЗИ
05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Луганськ 2007
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано в Луганському національному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
ВОЛЬВАК Сергій Федорович,
Луганський національний аграрний університет,
доцент кафедри механізації виробничих процесів
у тваринництві.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Тіщенко Леонід Миколайович,
Харківський національний технічний університет
сільського господарства ім. Петра Василенка, перший проректор, завідувач кафедри деталей машин і
підйомно-транспортних машин;
кандидат технічних наук, доцент
Колесніков Володимир Олексійович,
Луганський національний аграрний університет,
доцент кафедри експлуатації
машинно-тракторного парку.
Захист відбудеться “06” грудня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.841.01 у Луганському національному аграрному університеті за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія
1М-214.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Луганського національного аграрного університету за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет.
Автореферат розіслано “05” листопада 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент В.Є. Кириченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Одне з провідних місць серед зернових та кормових культур займає кукурудза. Ця культура має ряд цінних якостей, які широко використовуються в агропромисловому комплексі.
У наш час із кукурудзи виробляють близько 3500 видів продукції. Ця культура має велике значення як високоенергетичний корм для всіх видів тварин та птахів. Для того, щоб збалансувати корм за науково обґрунтованими раціонами, необхідно мати у складі комбікормів не менше 30-40% високоенергетичного зерна кукурудзи. Тому збільшення обсягів виробництва зерна кукурудзи є одним із перспективних завдань сільського господарства. Для вирішення цього завдання необхідно підвищувати ефективність виконання технологічних процесів виробництва і обробки зерна кукурудзи шляхом удосконалення існуючої та створення нової, більш ефективної техніки.
У процесі виробництва зерна кукурудзи найбільш трудомістким є збирання врожаю – 60…80% від загальних трудозатрат. Останнім етапом збирання кукурудзи є обмолот качанів, якість якого характеризується двома основними показниками – травмування зерна та недомолот качанів.
Натепер розроблена велика кількість молотильних пристроїв різних за принципами та технологічними схемами обмолоту. Однак тільки незначна кількість існуючих молотильних пристроїв здатна обмолочувати качани кукурудзи всіх цільових призначень (посівний матеріал, продовольче та фуражне зерно) відповідно до агровимог. Як правило, ці машини енергоємні та матеріаломісткі.
В основному в сільському господарстві України використовуються одноцільові молотарки качанів кукурудзи, здатні обмолочувати качани тільки одного цільового призначення. Широке використання одноцільових молотарок зумовлено тим, що недостатньо вивчені причини виникнення пошкоджень зерна під час обмолоту та шляхи зниження їх кількості.
Тому розробка нових, більш досконалих молотарок кукурудзи, здатних обмолочувати качани всіх цільових призначень, є дуже актуальним завданням. Для реалізації цього завдання необхідно більш глибоке вивчення технологічного процесу обмолоту та причин пошкодження зерна кукурудзи в цьому процесі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота “Підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту і розробка конструкції молотарки качанів кукурудзи” виконувалась у відповідності з планом науково-дослідницької роботи Луганського національного аграрного університету „Комплексна механізація виробничих процесів в АПК”
(№ державної реєстрації 0104U005400) на кафедрі механізації виробничих процесів у тваринництві в період з 2004 по 2007 роки.
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи шляхом розробки конструкції молотарки з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері.
Для досягнення поставленої мети в роботі було визначено такі завдання:–
провести аналіз та розробити класифікацію існуючих способів, пристроїв та робочих органів молотарок качанів кукурудзи, проаналізувати наукові роботи по дослідженню технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи та виявити шляхи підвищення його ефективності;–
розробити та обґрунтувати конструктивно-технологічну схему молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, яка забезпечує мінімальну енергоємність процесу обмолоту та необхідну якість зерна під час обмолоту качанів кукурудзи всіх цільових призначень;–
теоретично обґрунтувати технологічний процес обмолоту та параметри робочих органів молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері;–
експериментально підтвердити результати теоретичних досліджень, отримати раціональні конструктивно-режимні параметри молотарки та визначити їх вплив на ефективність технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи; –
на підставі експериментально-теоретичних досліджень розробити конструкцію молотарки качанів кукурудзи, провести її техніко-економічний аналіз та розробити рекомендації щодо ефективного використання молотарки качанів кукурудзи у виробництві.
Об’єкт дослідження – технологічний процес обмолоту качанів кукурудзи молотаркою з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері.
Предмет дослідження – визначення закономірностей технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи молотаркою з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері.
Методи досліджень. Теоретичні дослідження проводилися з використанням основних методів системного аналізу, теорії удару, контактної задачі теорії пружності та основних положень фізико-математичних наук. Експериментальні дослідження проводились згідно з самостійно розробленими та відомими методиками в лабораторних умовах на розробленій автором експериментальній установці з використанням методів планування одно- і багатофакторного експерименту та статистичної обробки результатів досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну становлять:–
вперше розроблено розрахункову модель функціонування молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері;–
створено математичну модель процесу обмолоту качанів кукурудзи, яка вперше зв’язує швидкість руху качана в молотильній камері та силу його зустрічного удару об шип притискного елемента деки з урахуванням можливостей переміщення зерна в тілі стрижня (вдавлювання в стрижень);–
встановлено нові закономірності впливу конструктивно-режимних параметрів молотарки качанів кукурудзи з трисекційною декою, кожна секція якої складається з чотирьох притискних елементів, на ефективність технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи;–
вперше обґрунтовано конструктивно-режимні параметри молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері з урахуванням енергетичних та якісних показників технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи.
Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці конструкції та обґрунтуванні раціональних конструктивно-режимних параметрів молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, яка здатна обмолочувати качани всіх цільових призначень відповідно до агротехнічних вимог із максимальною продуктивністю, мінімальними енергоємністю та матеріаломісткістю.
Спроектовано та виготовлено молотарку качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, розроблено рекомендації щодо використання нової молотарки у виробництві, які передано керівництву Головного управління агропромислового розвитку Луганської облдержадміністрації та
ТОВ НВП “Агролугань” Лутугінського району Луганської області. Відповідне методичне забезпечення та молотарка качанів кукурудзи використовуються в навчальному процесі на кафедрі виробничих процесів у тваринництві Луганського національного аграрного університету.
Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертаційної роботи виконано здобувачем особисто, зокрема: розроблено класифікацію способів, пристроїв та робочих органів молотарок качанів кукурудзи; побудовано структурний граф аксіально-роторної системи обмолоту; розроблено конструктивно-технологічну схему та розрахункову модель функціонування молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері; проведено аналіз основних шляхів підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи; створено математичну модель процесу обмолоту качанів кукурудзи, яка вперше зв’язує швидкість руху качана в молотильній камері та силу його зустрічного удару об шип притискного елемента деки з урахуванням можливостей переміщення зерна в тілі стрижня (вдавлювання в стрижень); встановлено нові закономірності впливу конструктивно-режимних параметрів молотарки качанів кукурудзи з трисекційною декою, кожна секція якої складається з чотирьох притискних елементів, на ефективність технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи; експериментально підтверджено результати теоретичних досліджень та визначено основні раціональні конструктивно-режимні параметри молотарки качанів кукурудзи; проведено техніко-економічну оцінку та розрахунок економічної ефективності запропонованої молотарки качанів кукурудзи.
Апробація результатів дисертації. Результати наукових досліджень доповідалися на щорічних наукових конференціях Луганського національного аграрного університету (2004-2007 рр.); V Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” (м. Кіровоград, 2005); IV Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2005); Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми механізації виробничих процесів в АПК” (м. Луганськ, 2006); ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції молодих учених “Перспективна техніка та технології – 2007” (м. Миколаїв, 2007), об’єднаній VIII та ХV Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки та технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (смт. Глеваха, 2007).
Повністю дисертаційну роботу було заслухано на розширеному засіданні кафедри механізації виробничих процесів у тваринництві Луганського національного аграрного університету (м. Луганськ, 2007).
Публікації. За темою дисертаційної роботи написано вісім статей у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, загальним обсягом 1,3 авторського аркуша та отримано патент України на корисну модель №18265. Одна стаття є одноосібною. В інших опублікованих статтях частка здобувача складає 70 %, а в патенті України - 50 %. Матеріали дисертаційної роботи повною мірою відображено в опублікованих працях.
Обсяг і структура дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 160 назв, із них 8 – іноземними мовами, та додатків. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 188 сторінках, робота містить 61 рисунок, 25 таблиць та 8 додатків.
основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, об’єкт, предмет і завдання досліджень, які вирішуються в роботі. Подано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, а також інформацію щодо апробації, структури та обсягу роботи.
У першому розділі “Сучасний стан механізації технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи” доведено необхідність розробки молотарок качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, здатних обмолочувати качани всіх цільових призначень, запропоновано класифікацію способів, пристроїв та робочих органів молотарок качанів кукурудзи, виконано аналіз існуючих конструкцій молотарок качанів кукурудзи, на основі якого доведено, що найбільш перспективними є аксіально-роторні молотарки, проведено багатокритеріальний аналіз аксіально-роторних молотарок качанів кукурудзи та виявлено прототип.
Теоретичні та практичні основи для вивчення технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи викладено в працях відомих учених: В.П. Горячкіна, І.Н. Гурова, М.Г. Голіка, В.С. Кравченка, К.В. Шатілова, П.М. Заїки, Н.І. Кльоніна, Г.І. Креймермана, Л.М. Тіщенка, Б.І. Туровського, Ло-Эр-Чженя, В.С. Курасова, В.І. Корчагіна, Н.В. Серьожиної, Т.К. Тоганбаєва, Кликовича Ришарда, А.М. Гречанюка, С.Ф. Вольвака, І.А. Грека, М.В. Саблікова, В.О. Колеснікова та ін.
З аналізу способів, пристроїв та робочих органів молотарок качанів кукурудзи та наукових праць учених було з’ясовано, що вплив конструкції деки молотарки та швидкості руху її ротора на продуктивність, витрати потужності на обмолот, а також якість обмолоченого зерна вивчено недостатньо. Це знижує рівень технічної досконалості молотарок та ефективність технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи.
На підставі цього запропоновано концепцію підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи шляхом розробки конструкції молотарки з підпружиненими робочими органами, що дозволяє автоматично регулювати силу притиснення качанів кукурудзи до робочих органів та сприяє раціональному розподілу сил удару і тертя в молотильній камері, а також якісному відокремленню зерна від качана. Тому виникла необхідність проведення теоретичних та експериментальних досліджень технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи з метою розробки конструкції та рекомендацій щодо використання у виробництві нової молотарки, здатної обмолочувати качани всіх цільових призначень відповідно до агровимог із максимальною продуктивністю, мінімальними енергоємністю та матеріаломісткістю.
У другому розділі “теоретичне дослідження технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи” на основі проведених досліджень було розроблено структурний граф аксіально-роторної системи обмолоту, що дозволило висунути гіпотезу щодо підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи шляхом зниження енергоємності та підвищення якості обмолоту за рахунок удосконалення конструкції деки з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері.
На підставі цього розроблено конструктивно-технологічну схему молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, побудовано розрахункову модель її функціонування та вивчено фізичну суть процесу обмолоту качанів кукурудзи (рис. 1).
Рис. 1. Конструктивно-технологічна схема молотарки качанів кукурудзи:
качани кукурудзи; стрижні качанів; зерно;
1 – рама; 2 – опорна стійка; 3 – колесо; 4 – шарнір; 5 – механізм фіксації кута нахилу молотильної камери; 6 – завантажувальний лоток; 7 – корпус деки; 8 – шарнір;
9 - притискний елемент деки; 10 – пружина; 11 – плече; 12 – механізм фіксації та натягнення пружини; 13 – шнековий ротор; 14 – приводний механізм; 15 – бункер для зерна; 16 – вивантажувальний лоток
Запропонована молотарка качанів кукурудзи працює таким чином: качани кукурудзи подаються в завантажувальний лоток 6, звідки під дією сили тяжіння потрапляють до молотильної камери, де шнековий ротор 13, обертаючись, захоплює та переміщує їх. Обертаючись разом із ротором, качани входять у клин, який звужується між ротором та шипами притискних елементів деки 9 та зміщують їх, розтягуючи пружини 10. Під дією зростаючої жорсткості пружин підвищується сила тертя качанів кукурудзи об шипи, тобто опір переміщенню, що призводить до відділення зерна. Далі стрижні відводяться по вивантажувальному лотку 16, а зерно, проходячи отвори деки, потрапляє в бункер 15. Для забезпечення якісного завантаження качанів та покращення відведення зерна і обмолочених стрижнів із молотарки молотильна камера може змінювати кут нахилу відносно горизонту, що досягається за допомоги шарнірів 4 та механізму фіксації кута нахилу 5.
Дослідження руху качанів кукурудзи в молотильній камері було проведено з метою визначення загального опору переміщенню качанів уздовж молотильної камери та раціональних конструктивно-режимних параметрів молотарки, у тому числі частоти обертання ротора, при якій рівнодіюча сили косого удару качанів об шипи притискних елементів деки не перевищує допустимого значення.
У процесі руху качанів у молотильній камері на них діють (рис. 2): проштовхуюча сила ротора Nпр, сила тяжіння G = mg, сила тертя качанів кукурудзи об ротор F1, сила додаткового притиснення пружин притискних елементів деки Fпр, сила тертя качанів кукурудзи об шипи деки F2, сила тертя качанів кукурудзи об навивку ротора F3, сила тертя качанів кукурудзи один об одного в молотильній камері F4 та відцентрова сила, що притискає качани до шипів F5 = mщ2r.
а) б)
Рис. 2. Схема сил, які діють на качани кукурудзи під час обмолоту:
а) в молотильній камері; б) на роторі
Загальний опір переміщенню качанів уздовж молотильної камери складе:
W = sinв·(f1· n1·(к·Х·cosг + m1·g·cosб – m1·щ 2·r +·к·Х·cosг·cosв) + n f2·m1·g·cosб) +
+n1·f1·к·Х·cosг, Н, (1)
де в – кут підйому гвинтової навивки шнека, град;
f1 – коефіцієнт тертя зерна кукурудзи по сталі;
n1 – кількість качанів, що одночасно знаходяться в молотильній камері, шт;
к – коефіцієнт жорсткості пружин, Н/мм;
Х – деформація пружин, мм;
г – кут нахилу притискного елемента деки, град;
m1 – маса качана кукурудзи, кг;
g – прискорення вільного падіння, м/с2;
б – кут нахилу молотильної камери, град;
щ – кутова швидкість ротора, с-1;
r – радіус ротора, м;
n – кількість качанів кукурудзи, котрі одночасно труться один об одного в молотильній камері, шт;
f2 – коефіцієнт тертя зерна кукурудзи по зерну.
Враховуючи відомий вираз та усереднене значення коефіцієнтів тертя зерна і стрижня качана кукурудзи, визначено залежність потужності, потрібної на обмолот, від конструктивно-режимних параметрів молотарки з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері:
NО = ± + (sinв·(fср1· n1·(к·Х·cosг + m1·g·cosб – m1·щ 2·r +·к·Х·cosг·cosв) +
+ n fср2·m1·g·cosб) + n1·fср1·к·Х·cosг) ·V / 1000, кВт, (2)
де NО – потужність, потрібна на обмолот, кВт;
Q – продуктивність молотарки, т/год;
Н – висота підіймання чи опускання качанів кукурудзи шнековим ротором, м;
V – швидкість руху качанів кукурудзи в молотильній камері, м/с.
Оскільки швидкість руху качанів кукурудзи в молотильній камері залежить від частоти обертання ротора, необхідно знати максимально допустиму частоту обертання ротора, при якій сила удару качана об робочі поверхні в молотильній камері не викликатиме травмування зерна.
Припустивши, що співвідношення Герца між силою і деформацією, встановлене для статичних умов, можна застосовувати для вирішення задач про удар, та врахувавши можливість переміщення зерна в тілі стрижня (вдавлювання в стрижень на глибину від 0 до 3 мм), було одержано вираз для визначення сили удару качана об шип притискного елемента деки:
, Н, (3)
де Е1 і Е2 – модуль пружності зерна і стрижня кукурудзи, відповідно, Па;
R1 і R2 – кривизна зерна в точках контакту, м;
к1 і к2 – відповідно, коефіцієнти, залежні від модуля Юнга і коефіцієнта Пуассона зерна і шипа;
m1 і m2 – відповідно, маса качана кукурудзи та притискного елемента деки, кг.
Розклавши силу удару качана об шип притискного елемента деки на нормальну та дотичну, було одержано вираз для визначення рівнодіючої сили косого удару:
, Н. (4)
За результатами розрахунків побудовано теоретичну залежність рівнодіючої сили косого удару качана кукурудзи об шип притискного елементу деки від частоти обертання ротора, яку було розділено на три зони, отримані шляхом порівняння сили косого удару качана об робочі поверхні в молотильній камері з відомим значенням максимально допустимої сили: для зерна [Рз] = 680 Н, для стрижня [Рс] = 2000 Н (рис. 3).
Рис. 3. Теоретична залежність рівнодіючої сили косого удару качана кукурудзи об шип притискного елементу деки від частоти обертання ротора
Визначивши лінійну швидкість руху качанів кукурудзи в молотильній камері та припустивши, що швидкість руху качанів дорівнює швидкості ротора, за результатами розрахунків із виразу (2) побудовано теоретичну залежність потужності, потрібної на обмолот качанів кукурудзи молотаркою з раціональним розподілом сил удару та тертя в молотильній камері, від режимів її роботи (рис. 4).
Рис. 4. Теоретична залежність потужності, потрібної на обмолот качанів кукурудзи молотаркою з раціональним розподілом сил удару та тертя в молотильній камері, від режимів її роботи
Припустивши, що молотарка качанів кукурудзи зі шнековим ротором працює як шнековий транспортер, та враховуючи відомий вираз, продуктивність молотарки можна визначити за формулою:
Q = 60 · m1 · nрот · м • kп, кг/год, (5)
де m1 – маса одного качана, кг;
nрот – частота обертання шнекового ротора, хв-1;
м – кількість качанів, розміщених у шнековому роторі, на довжині кроку навивки, шт.;
kп – диференційований коефіцієнт продуктивності.
Диференційований коефіцієнт продуктивності отримано з урахуванням відомої формули з виразу:
kп = kб · kв · kу, (6)
де kб – коефіцієнт, що враховує пристрій і спосіб завантаження;
kв – коефіцієнт, що враховує кут нахилу шнекового ротора, kв = 1…0,3;
kу – коефіцієнт, що враховує опір пружин притискних елементів деки.
Визначивши коефіцієнт, що враховує пристрій і спосіб завантаження, як співвідношення частоти обертання ротора, необхідної для якісного захоплення качанів навивкою ротора, та фактичної частоти обертання ротора, а коефіцієнт, який враховує опір пружин притискних елементів деки як співвідношення енергії ротора, котра витрачається на подолання опору пружин, до повної кінетичної енергії ротору, було одержано вираз для визначення продуктивності запропонованої молотарки:
Q = 60 · m1 · nрот · м · kв · · , кг/год. (7)
За результатами розрахунків з виразу (7) було побудовано теоретичну залежність продуктивності запропонованої молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару й тертя в молотильній камері від режимів її роботи (рис. 5).
Рис. 5. Теоретична залежність продуктивності молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару й тертя в молотильній камері від режимів її роботи
Проведені дослідження дозволили теоретично обґрунтувати основні конструктивно-режимні параметри аксіально-роторної молотарки з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері та встановити, що для забезпечення ефективного виконання технологічного процесу обмолоту потрібна трисекційна дека з довжиною кожної секції 0,35 м, що дорівнює кроку навивки шнекового ротора, при чому кожна секція деки повинна складатися з чотирьох притискних елементів, жорсткість пружин яких дорівнює 4…8 Н/мм, деформація пружин 15 мм, кут нахилу притискних елементів та кут нахилу молотильної камери 0…15 град, радіус ротора 0,16 м, діаметр отворів притискних елементів деки для відведення зерна з молотильної камери 0,015 м, подача качанів кукурудзи в молотильну камеру 0,25…1,00 кг/с, висота навивки ротора змінюється від 0,025 м на вході до 0,010 м на виході, найменший зазор між шипами притискних елементів деки і валом ротора змінюється від 0,035 м на вході до 0,015 м на виході, кількість шипів у молотильній камері – 192 штуки.
Для обмолоту насіннєвої кукурудзи частота обертання ротора не повинна перевищувати 80 хв-1, при цьому сила удару качана об робочі поверхні в молотильній камері не перевищить допустимого значення та кількість пошкоджень зерна відповідатиме агровимогам; для обмолоту продовольчої та фуражної кукурудзи частота обертання ротора має знаходитися в інтервалі 80…200 хв-1, що забезпечить якісне відділення зерна від стрижня. При цьому продуктивність молотарки складе 769,9…3422,8 кг/год, а потужність, потрібна на обмолот, - 0,278…1,536 кВт. Ці інтервали основних конструктивно-режимних параметрів молотарки потребують більш ретельного дослідження експериментальними методами.
У третьому розділі “Програма та методика експериментальних досліджень” викладено програму експериментальних досліджень, описано прилади та експериментальну установку, наведено методи проведення та обробки результатів експериментальних досліджень.
Програмою досліджень передбачалося визначення основних механіко-технологічних характеристик качанів та зерна кукурудзи, які необхідно враховувати для забезпечення якісного обмолоту, продуктивності молотарки, залежностей показників якості обмолоту (недомолоту, подрібнення зерна та його макро- і мікротравмування), енергоємності молотарки від її конструктивно-режимних параметрів (частоти обертання ротора, подачі качанів у молотильну камеру, жорсткості пружин притискних елементів деки та кута нахилу молотильної камери), а також показника просипання зерна крізь отвори деки по її довжині.
Для проведення експериментальних досліджень у лабораторії кафедри механізації виробничих процесів у тваринництві ЛНАУ було виготовлено експериментальну установку (рис. 6), конструкція якої забезпечує регулювання частоти обертання ротора молотарки, подачі качанів у молотильну камеру, жорсткості пружин притискних елементів деки, кута нахилу молотильної камери та фіксацію експериментальних даних за допомогою стандартного і спеціально виготовленого обладнання.
Рис. 6. Загальний вигляд експериментальної установки:
1 – транспортер; 2 – молотарка качанів кукурудзи; 3 – система датчиків контролю маси ADAM; 4 – ПЕОМ; 5 – вимірювальний комплект К-505; 6 – діафаноскоп; 7 – ваги ВЛКТ-500М; 8 – ваги ВЕ-15ТЕ.2
У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” наведено результати проведених лабораторних експериментальних досліджень щодо визначення механіко-технологічних характеристик качанів і зерна кукурудзи, продуктивності молотарки, показника недомолоту, потужності, потрібної на обмолот, показника подрібнення зерна, енергоємності процесу обмолоту, показника макро- та мікротравмувань обмолоченого зерна, раціонального кута нахилу молотильної камери та показника просипання зерна крізь отвори деки по її довжині.
Лабораторні експериментальні дослідження проводилися шляхом планування одно- та багатофакторного експерименту.
За результатами попередніх однофакторних експериментів було встановлено:–
для якісного відокремлення зерна кукурудзи з ділянки суміжних зерен на поверхні качана сорту Дар 347МВ потрібно, щоб відокремлююче зусилля 51 Н діяло по дотичній до поверхні качана, а травмування зародків починається у разі дії відокремлюючого зусилля 58 Н у тому ж напрямку;–
раціональна частота обертання ротора при обмолоті насіннєвої кукурудзи дорівнює 80 хв-1, а продовольчої та фуражної – 80…180 хв-1;–
подача качанів у молотильну камеру для насіннєвої, продовольчої та фуражної кукурудзи дорівнює 0,85 кг/с;–
найбільш доцільна жорсткість пружин притискних елементів деки, яка забезпечує недомолот качанів кукурудзи не більше 3%, складає 6 Н/мм, –
кут нахилу молотильної камери для насіннєвої, продовольчої та фуражної кукурудзи дорівнює 10 град;–
під час обмолоту насіннєвої кукурудзи дроблення зерна не перевищує 1,5%, показник макро- та мікротравмування зерна - 9,9%, а продуктивність молотарки дорівнює 2,52 т/год;–
під час обмолоту продовольчої та фуражної кукурудзи дроблення зерна не перевищує 2,5%, а продуктивність дорівнює 2,92 т/год;–
за встановлених раціональних конструктивно-режимних параметрів енергоємність процесу обмолоту насіннєвої кукурудзи складає 0,3 кВт•год/т, продовольчої та фуражної – 0,55 кВт•год/т, а розбіжність результатів експериментальних і теоретичних досліджень дорівнює 3…5%.
Методом планування багатофакторного експерименту визначено фактори, які найбільше впливають на ефективність технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи: частота обертання ротора молотарки, подача качанів у молотильну камеру та кут нахилу молотильної камери, а також основний і додатковий (обмежуючий) критерії оптимізації. За основний критерій оптимізації було прийнято енергоємність процесу обмолоту (Е), яка визначається за відомою формулою:
, кВт•год/т, (8)
де Nо – потужність, потрібна на обмолот, кВт;
Q – продуктивність молотарки, т/год.
За додатковий (обмежуючий) критерій оптимізації було прийнято комплексний показник якості обмолоту (зк), який можна визначити за формулою:
, %, (9)
де д – показник недомолоту, %;
d – показник подрібнення зерна, %;
y – показник макро- та мікротравмування зерна, %.
В результаті проведення багатофакторного експерименту за майже рототабельним планом Бокса-Бенкіна другого порядку одержано математичні моделі у формі розкодованих рівнянь регресії другого порядку (10-13), які адекватно описують технологічний процес обмолоту качанів кукурудзи:–
для насіннєвої кукурудзи:
Е = 10,194467 - 0,042787•nрот + 0,000129• nрот2 - 22,953333·q + 14,166667·q2 -
- 0,049233•б + 0,000817•б2 + 0,034000· nрот •q - 0,000020 nрот •б +
+ 0,050000•q•б, кВт•год/т; (10)
з = 301,988333 - 1,120833• nрот + 0,006133• nрот2 - 693,566667·q + 483,333333·q2 -
- 0,573167•б - 0,018667•б2 + 0,180000· nрот •q + 0,004800•n•б +
+ 0,700000•q•б, %; (11)–
для продовольчої та фуражної кукурудзи:
Е = 7,564484 - 0,018498• nрот + 0,000043• nрот2 - 12,343766·q + 6,718354·q2 -
- 0,091535•б + 0,001210•б2 + 0,004000 nрот •q - 0,000020· nрот •б +
+ 0,091203•q•б, кВт•год/т; (12)
з = 256,765607 - 0,768868 nрот + 0,002155• nрот2 - 439,361392·q + 262,215190·q2 -
- 1,831791 б + 0,009563•б2 - 0,000001• nрот •q + 0,001200 nрот •б +
+ 1,765823 q•б, %. (13)
З метою визначення раціональних конструктивно-режимних параметрів молотарки, які забезпечують мінімальну енергоємність процесу обмолоту при найвищій якості обмолоченого зерна, було проведено графоаналітичний аналіз математичних моделей методом двомірних перетинів та вирішено компромісну задачу – на поверхню відклику основного параметру оптимізації накладено обмеження додатковим параметром (рис. 7, 8) та знайдено раціональні точки. Це дозволило зробити висновки:–
найбільший вплив на енергоємність процесу обмолоту та якість обмолоченого зерна при обмолоті качанів кукурудзи всіх цільових призначень має подача качанів у молотильну камеру, а вплив інших факторів виявляється менш вагомим;–
раціональні значення факторів для обмолоту насіннєвої кукурудзи складають: частота обертання ротора молотарки 75 хв-1, подача качанів у молотильну камеру 0,70 кг/с та кут нахилу молотильної камери 10 град. При цьому продуктивність молотарки складає 2,52 т/год, енергоємність процесу – 0,259 кВт•год/т, а комплексний показник якості обмолоту – 14,1 % (недомолот менше 3%, дроблення зерна менше 1,5%, показник макро- та мікротравмування зерна менше 10%), що відповідає агротехнічним вимогам;–
раціональні значення факторів для обмолоту продовольчої та фуражної кукурудзи складають: частота обертання ротора молотарки 174 хв-1, подача качанів у молотильну камеру 0,78 кг/с та кут нахилу молотильної камери 11 град. При цьому продуктивність молотарки складає 2,81 т/год, енергоємність процесу – 0,532 кВт•год/т, а комплексний показник якості обмолоту – 3,5 % (недомолот менше 3%, дроблення зерна менше 2,5%, показник макро- та мікротравмування не оцінювався), що відповідає агротехнічним вимогам.
За результатами експериментальних досліджень показника просипання зерна крізь отвори деки по її довжині було підтверджено теоретичні передумови, що для забезпечення ефективного процесу обмолоту качанів кукурудзи всіх цільових призначень потрібна трьохсекційна дека загальною довжиною 1,05 м.
У п’ятому розділі “Економічна ефективність застосування та рекомендації щодо використання молотарки качанів кукурудзи” наведено результати визначення техніко-економічних показників застосування молотарки кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері.
За результатами техніко-економічної оцінки було встановлено, що розрахункова ціна нової молотарки качанів кукурудзи 3556,13 грн., річний економічний ефект від її застосування в порівнянні з молотаркою МКП-12 складає 1353,0 грн., а термін окупності капіталовкладень – 2,6 років.
Розроблено рекомендації щодо використання нової молотарки качанів кукурудзи в лініях виробництва концентрованих і грубих кормів цеху кормоприготування (обмолот фуражної кукурудзи), в пунктах обмолоту насіннєвої кукурудзи (виробництво посівного матеріалу), а також при обмолоті продовольчої кукурудзи в лініях виробництва круп, кукурудзяної муки та ін. Рекомендації передано керівництву Головного управління агропромислового розвитку Луганської облдержадміністрації та ТОВ НВП “Агролугань” Лутугінського району Луганської області.
а)
в)
б)
Рис. 7. Накладення двомірних перетинів енергоємності процесу обмолоту і комплексного показника якості обмолоту насіннєвої кукурудзи: а) Х3 ( б = 10 град);
б) Х2 ( q = 0,70 кг/с);
в) Х1 ( n= 80 хв-1)
а)
в)
б)
Рис. 8. Накладення двомірних перетинів енергоємності процесу обмолоту і комплексного показника якості обмолоту продовольчої та фуражної кукурудзи: а) Х3 ( б = 10 град);
б) Х2 ( q = 0,81 кг/с); в) Х1 ( n = 180 хв-1)
Загальні висновки
1. На підставі аналізу проведених досліджень виявлено необхідність розробки молотарки качанів кукурудзи з підпружиненими робочими органами, здатної обмолочувати качани всіх цільових призначень (посівний матеріал, продовольче та фуражне зерно) відповідно до агротехнічних вимог із максимальною продуктивністю і мінімальними енергоємністю та матеріаломісткістю.
2. Розроблені класифікація способів, пристроїв і робочих органів молотарок та структурний граф аксіально-роторної системи обмолоту качанів кукурудзи дозволили намітити шляхи підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту та розробити і обґрунтувати доцільну конструктивно-технологічну схему молотарки качанів кукурудзи.
3. Розроблені математичні моделі (1), (2), (3), (4), (7), (9 - 13) дозволяють визначити раціональні конструктивно-режимні параметри молотарки та розкривають вплив основних факторів на підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи.
4. Експериментально-теоретичними дослідженнями встановлено:–
раціональні конструктивно-режимні параметри молотарки качанів кукурудзи: –
дека – трисекційна;–
довжина секції деки дорівнює кроку навивки шнекового ротора t = 0,35 м; –
загальна довжина деки L = 1,05 м;–
діаметр отворів притискного елементу деки для відведення зерна з молотильної камери d = 0,015 м;–
діаметр циліндра ротора D = 0,32 м;–
висота навивки ротора змінюється від 0,025 м на вході до 0,010 м на виході;–
найменший зазор між шипами притискного елементу деки і валом ротора змінюється від 0,035 м на вході до 0,015 м на виході;–
кут нахилу завантажувальної горловини повинен бути не менше 15 град;–
кількість шипів у молотильній камері Z = 192 штук;–
при обмолоті насіннєвої кукурудзи: частота обертання ротора 75 хв-1, подача качанів у молотильну камеру 0,7 кг/с, кут нахилу молотильної камери 10 град. При цьому продуктивність молотарки складає 2,52 т/год, енергоємність процесу - 0,259 кВт•год/т, а комплексний показник якості обмолоту – 14,1% (недомолот менше 3%, подрібнення зерна менше 1,5%, показник макро- та мікротравмування зерна менше 10%), що відповідає агротехнічним вимогам;–
під час обмолоту продовольчої та фуражної кукурудзи: частота обертання ротора 174 хв-1, подача качанів у молотильну камеру 0,78 кг/с, кут нахилу молотильної камери 11 град. При цьому продуктивність молотарки складає 2,81 т/год, енергоємність процесу – 0,532 кВт•год/т, а комплексний показник якості обмолоту – 3,5% (недомолот менше 3%, подрібнення зерна менше 2,5%, показник макро- та мікротравмування не оцінювався), що відповідає агротехнічним вимогам;–
розбіжність результатів експериментальних і теоретичних досліджень при встановлених раціональних конструктивно-режимних параметрах дорівнює 3…5%.
5. Розроблено конструкцію молотарки качанів кукурудзи з трисекційною декою, кожна секція якої складається з чотирьох притискних елементів, що забезпечує раціональний розподіл сил удару і тертя в молотильній камері.
6. Впровадження запропонованої молотарки качанів кукурудзи у виробництво в порівнянні з молотаркою МКП-12 дозволяє отримати економічний ефект 1353 грн. із терміном окупності капіталовкладень 2,6 роки.
7. Розроблено рекомендації щодо використання молотарки качанів кукурудзи у виробництві, які передано сільськогосподарським підприємствам Луганської області.
Список опублікованих праць
1. Вольвак С.Ф., Бахарев Д.Н. классификация способов обмолота и конструкций механизированных молотилок початков кукурузы // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛНАУ, 2005. - № 49 / 72.- С. 107-110.
2. Вольвак С.Ф., Бахарев Д.Н. Построение расчетной модели функционирования аксиально-роторной молотилки кукурузы // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. – Харків: ХНТУСГ ім. Петра Василенка, 2005. - Випуск 39.- С. 182-185.
3. Вольвак С.Ф., Бахарев Д.Н. Исследование условий отделения зерна от початка кукурузы // Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник: Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. - Кіровоград: КНТУ, 2005. - Випуск 35, 1.- С. 190-192.
4. Вольвак С.Ф., Бахарев Д.Н. Определение режимов обмолота початков кукурузы в условиях упругой деформации зерна // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛНАУ, 2006. - № 64 / 87.- С. 99-103.
5. Вольвак С.Ф., Бахарев Д.Н. Определение производительности шнековой молотилки кукурузы // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. Вдосконалення технологій та обладнання виробництва продукції тваринництва. - Харків: ХНТУСГ ім. Петра Василенка, 2006. - Випуск 48.- С. 152-155.
6. Вольвак С.Ф., Бахарев Д.Н. Обоснование основных конструктивных параметров аксиально-роторной молотилки початков кукурузы // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛНАУ, 2006. - № 68 / 91.- С. 71-74.
7. Вольвак С.Ф., Бахарев Д.Н. Исследование влияния режимов работы молотилки початков кукурузы на качество зерна после обмолота // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. – Мелітополь: ТДАТА, 2007. - Випуск 7., Т. 3. - С. 142-148.
8. Бахарев Д.Н. Определение необходимой мощности процесса обмолота початков кукурузы аксиально-роторной молотилкой // Вісник аграрної науки Причорномор’я. – Миколаїв: МДАУ, 2007.- Спеціальний випуск 2 (41).- С. 161-165.
9. Пат. 18265 Україна, МКИ А01F11/00. Аксіально-роторний пристрій для обмолоту качанів кукурудзи: Пат. 18265 Україна, МКИ А01F11/00;
Вольвак С.Ф., Бахарєв Д.М; Заявл. 27.02.2006; Опубл. 15.11.2006, Бюл. № 11. - 6 с.
АНОТАЦІЯ
Бахарєв Д.М. Підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту і розробка конструкції молотарки качанів кукурудзи. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Луганський національний аграрний університет, Луганськ, 2007.
Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи всіх цільових призначень (посівний матеріал, продовольче і фуражне зерно).
На підставі результатів проведеного аналізу способів, пристроїв і робочих органів молотарок качанів кукурудзи та наукових робіт з дослідження технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи доведено необхідність розробки молотарки з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, яка здатна обмолочувати качани всіх цільових призначень відповідно до агровимог з максимальною продуктивністю і мінімальними енергоємністю та матеріаломісткістю.
Розроблено класифікацію способів, пристроїв і робочих органів молотарок качанів кукурудзи та структурний граф аксіально-роторної системи обмолоту, що дозволило розробити конструктивно-технологічну схему молотарки качанів кукурудзи з трисекційною декою, кожна секція якої складається з чотирьох притискних елементів, та побудувати розрахункову модель її функціонування.
Проведено теоретичні дослідження, на основі яких одержано математичні моделі технологічного процесу обмолоту качанів кукурудзи молотаркою з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, а також математичні залежності, які дозволяють визначити основні конструктивно-режимні параметри молотарки.
З метою підтвердження результатів теоретичних досліджень сплановано та проведено попередні однофакторні та багатофакторний експерименти. В результаті попередніх однофакторних експериментів визначено механіко-технологічні характеристики качанів і зерна кукурудзи, продуктивність молотарки, показник недомолоту, потужність, потрібну на обмолот, показник подрібнення зерна, енергоємність процесу обмолоту, показник макро- та мікротравмувань обмолоченого зерна, раціональний кут нахилу молотильної камери та показник просипання зерна крізь отвори деки по її довжиніі В результаті багатофакторного експерименту отримано регресійні залежності енергоємності та комплексного показника якості обмолоту, виконано оптимізацію та вирішено компромісну задачу, в результаті чого отримано раціональні конструктивно-режимні параметри молотарки, які забезпечують мінімальну енергоємність процесу обмолоту при потрібній якості обмолоченого зерна.
На підставі проведених досліджень розроблено конструкцію молотарки качанів кукурудзи з раціональним розподілом сил удару і тертя в молотильній камері, працездатність і ефективність якої перевірено в лабораторних і виробничих умовах, що дозволило розробити рекомендації щодо ефективного використання молотарки у виробництві, які передано сільськогосподарським підприємствам Луганської області.
Ключові слова: обмолот качанів кукурудзи, технологічний процес, ефективність, енергоємність, якість.
АННОТАЦИЯ
Бахарев Д.Н. Повышение эффективности технологического процесса обмолота и разработка конструкции молотилки початков кукурузы. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Луганский национальный аграрный университет, Луганск, 2007.
Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности технологического процесса обмолота початков кукурузы всех целевых назначений (посевной материал, продовольственное и фуражное зерно).
На основании результатов проведенного анализа способов, устройств и рабочих
