НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Налобіна Олена Олександрівна

УДК 631.35:633.521

МЕХАНІКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСІВ ВЗАЄМОДІЇ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ЛЬОНОЗБИРАЛЬНОГО КОМБАЙНА З РОСЛИННИМ МАТЕРІАЛОМ

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КИЇВ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант - | доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Хайліс Гедаль Абрамович, Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва ім. Л.Погорілого, головний науковий співробітник

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор, членкор УААН Кравчук Володимир Іванович, Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва

ім. Л.Погорілого, директор

доктор технічних наук, професор Рогатинський Роман Михайлович, Тернопільський державний технічний університет ім. Івана Пулюя, проректор з наукової роботи

доктор технічних наук, професор Пащенко Володимир Філімонович, Харківський національний аграрний університет

ім. В.В.Докучаєва, завідувач кафедри механізації сільського господарства

Захист відбудеться «27» червня 2008 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус №3, ауд. 

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус №4

Автореферат розісланий «26» травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.Г. Войтюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Льонарство є однією з важливих галузей сільськогосподарського виробництва. Льон здавен вирощується в Україні. Продукція льонарства приносить велику користь людству, використовується як волокно і насіння, так і відходи.

Основну проблему, що стоїть перед галуззю льонарства, можна сформулювати наступним чином: на базі розробки прогресивних технологій вирощування, збирання і обробки льону, а також удосконалення льонозбиральних машин збільшити виробництво льону–довгунця, поліпшити його якість та значно зменшити втрати продукції. Особливо важливо механізувати збирання льону, як найбільш трудомісткий етап його вирощування.

Збирання льону здійснюється за однією з трьох відомих технологій: сноповою, роздільною, комбайновою. Остання набула найбільшого поширення, як така, що може застосовуватись у будь – яких кліматичних зонах. Крім того, впровадження комбайнової технології збирання льону дозволяє зменшити витрати праці (у 2–3 рази) і підвищити збереження сировини льону. Використовують льонокомбайнові агрегати, які складаються з трактора типу «Бєларусь» та льонозбирального комбайна типу ЛК–4А (ЛК–4Т).

Згадані вище машини задовільно зарекомендували себе в роботі і дозволяють значно зменшити витрати праці і коштів для збирання льону. В той же час, в них є й суттєві недоліки, усунення яких не можливе без проведення глибоких і всебічних досліджень робочих органів льонозбиральних машин.

Враховуючи викладене, розробка теоретичних основ функціонування і методів розрахунку робочих органів льонозбиральних комбайнів становить важливу технічну проблему, вирішення якої необхідне для подальшого технічного прогресу механізації збирання льону. Вирішенню цієї проблеми присвячується дана дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження нових та удосконалення існуючих робочих органів проведено відповідно до цільової комплексної програми «Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості», затвердженої Кабінетом Міністрів від 7.03.1996р., програми «Льон України», програми «Льон Волині 2001–2004», а також до державних науково–технічних програм ДКНТП з пріоритетних напрямків. Теми робіт «Вдосконалення технології збирання льону і конструкцій збиральних машин» (номер держреєстрації 0198U000264) та «Дослідження деформаційних властивостей рослинних матеріалів» (номер держреєстрації 0196U008812).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності застосування технічних засобів при механізованому збиранні льону–довгунця на основі розробки теоретичних основ функціонування і методів розрахунку робочих органів льонозбиральних комбайнів.

Задачі дослідження:

1. Проаналізувати існуючі технології збирання льону, машини, які при цьому застосовуються, їхні конструкції і визначити потрібні напрями вдосконалення та дослідження робочих органів льонозбиральних комбайнів.

2. Виконати аналіз процесу взаємодії подільників із стеблостоєм льону з урахуванням його густоти з метою обґрунтування їхніх параметрів, які забезпечать підвищення основного агротехнічного показника якості збиральних робіт – розтягнутості.

3. Проаналізувати конструкції бральних апаратів з метою виявлення напрямів їхніх змін для поліпшення якості роботи.

4. Розробити математичні моделі і на їхній основі отримати залежності, які описують закономірності процесів транспортування стебел:

- у бральному апараті з урахуванням зміни навантажень при режимах розгону і вибігу;

- у каналі поперечного транспортера за умови щільного його заповнення з обґрунтуванням умов роботи транспортера без забивань.

5. Провести теоретичний аналіз процесу уловлювання та виводу вороху лопатнями очісуючого барабана з камери очосу і визначити умови, за яких зменшуються його втрати.

6. Розробити математичну модель процесу транспортування вороху і визначити умови його попадання в причіпний візок без втрат під час повороту агрегату.

7. Перевірити адекватність розроблених математичних моделей.

8.Визначити економічну ефективність від впровадження результатів досліджень.

Об’єкт дослідження. Процеси взаємодії робочих органів льонозбирального комбайна з рослинним матеріалом.

Предмет дослідження. Зв’язки робочих органів льонозбирального комбайна зі стеблами льону та закономірності впливу їхніх параметрів на показники ефективності збиральних робіт.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведено із застосуванням методів теоретичної та аналітичної механіки, аналітичної геометрії, теорії механізмів і машин, математичного моделювання, нелінійного програмування, а також числових методів розв’язку задач з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження проведені з застосуванням стандартних методик та методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в підвищені ефективності комбайнового збирання льону на основі розробки теоретичних основ функціонування і методів розрахунку робочих органів.

1. Вперше досліджено роботу подільника за умови одночасної взаємодії його прутків зі стеблами, послідовно розташованими на полі, що дозволило визначити вплив параметрів подільників і густоти стеблостою на найважливіший показник якості процесу збирання льону - розтягнутість стебел.

2. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено доцільність зменшення ширини захвату бральної секції з 380 мм до 260 мм.

3. Визначено вплив конструктивних і кінематичних параметрів брального апарата та густоти стеблостою на динамічні показники його роботи.

4. Вперше досліджено роботу поперечного транспортера за умови щільного заповнення його каналу стеблами і визначено умови роботи транспортеру без забивань.

5. На основі аналізу взаємодії лопатей гребенів очісуючого барабана з ворохом визначено умови, які забезпечують його видалення з камери очосу без втрат.

6. На основі аналізу процесу транспортування вороху рухомою стрічкою транспортера вороху встановлено умови, за яких виключаються його втрати під час повороту агрегату.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення мають зроблені за результатами досліджень рекомендації щодо зменшення ширини захвату бральної секції з 380 мм до 260 мм; рекомендації щодо вибору конструктивних параметрів подільників і їхнього регулювання за різних умов роботи агрегату, впровадження яких дає можливість поліпшити агротехнічні показники якості роботи льонозбирального комбайна.

Встановлено умову, виконання якої забезпечує роботу поперечного транспортера без забивань і без додаткового пошкодження стебел.

На основі проведених досліджень надано рекомендації щодо відносного розташування очісуючого барабана та транспортера вороху, спрямовані на зменшення втрат вороху.

Запропоновані нами додаткові горизонтальні лопаті у гребенів очісуючого барабана дозволяють усунути падіння насіннєвих коробочок вниз у камеру очосу при сповільненому обертанні барабана і при його зупинці.

Практичне значення мають також рекомендації щодо граничного кута нахилу транспортера вороху до горизонту, який забезпечує мінімальні втрати вороху при перевантаженні його в причіпний візок.

Результати досліджень робочих органів льонозбиральних комбайнів використовуються у Всеросійському науково-дослідному і проектно-технологічному інституті механізації льонарства для удосконалення конструкції льонокомбайнів, а також в інституті луб’яних культур УААН (м. Глухів) у процесі розробки та вдосконалення машин для збирання льону.

Особистий внесок здобувача полягає в узагальненні існуючих наукових досягнень за темою дисертаційної роботи, в постановці проблеми досліджень, обранні шляхів її вирішення; розробці основних наукових положень, які визначили наукову новизну та практичну цінність роботи, проведенні теоретичних досліджень, спрямованих на вирішення сформульованої проблеми. Здобувач брав безпосередню участь у розробці методик проведення експериментальних досліджень, а також у їхньому виконанні, особисто провів математичну обробку та аналіз отриманих результатів експериментів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали теоретичних і експериментальних досліджень, які представлені в дисертації, доповідались, обговорювались і були схвалені на: науково–технічних конференціях професорсько–викладацького складу Луцького державного технічного університету (м. Луцьк 1996, 1997–2007 р.); Міжнародній науково–практичній конференції «Стан та перспективи розвитку механізації сільського господарства на рубежі сторіч», 1999 р., м. Київ, НАУ; науково–практичній конференції, присвяченій 100–річчю з дня народження акад. П.М.Василенка, м. Київ, НАУ, 2000 р.; першому науковому симпозіумі «Сучасні проблеми інженерної механіки», м. Луцьк, 2000 р.; III–їй Міжнародній науково–практичній конференції «Сучасні проблеми землеробської механіки», 2002 р., м. Миколаїв; першій Українсько–Польській науковій конференції, с.м.т. Сатанів, 2003 р.; V–їй міжнародній науково–технічній конференції «Вібрації в техніці та технологіях», присвяченій пам’яті акад. П.М.Василенка, м. Вінниця, 2004 р.; міжнародній науково–технічній конференції, присвяченій пам’яті та з нагоди 70–річчя від дня народження академіка УААН, РАСГН та АІНУ Л.В.Погорілого, с.м.т. Дослідницьке, 2004 р.; XII міжнародній науково–технічній конференції «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві», ННЦ «ІМЕСГ», с.м.т. Глеваха; Міжнародній науково–практичній конференції «Інноваційні технології в АПК», м. Луцьк, 2007 р.; науково–технічній конференції «Перспективи розвитку агропромислового комплексу в поліському регіоні України», м. Ніжин, 2007 р.; VIII–їй міжнародній науково–технічній конференції «Науково–технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій», присвяченій пам’яті академіка Л.В.Погорілого, с.м.т. Магерів, 2007 р..

Публікації. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень викладені у 46 друкованих працях, з них 15 без співавторів, у тому числі 1(одноособова) монографія, 1 навчальний посібник та 14 патентів на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 296 найменувань. Обсяг дисертації становить 365 сторінок основного тексту, 130 рисунків, 29 таблиць і 83 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і важливість розробки теоретичних основ функціонування і методів розрахунку робочих органів льонозбиральних комбайнів, сформульовано мету та задачі дослідження, окреслено новизну та практичну цінність отриманих результатів, наведено дані про апробацію результатів досліджень і публікації.

У першому розділі «Стан проблеми, мета і задачі дослідження» викладено аналіз досліджень фізико–механічних властивостей стебел льону і робочих органів льонозбиральних машин, дано характеристику льону – довгунця та технологій його збирання з обґрунтуванням їхніх недоліків та переваг, розглянуто питання розвитку засобів механізації збирання льону.

Льон – довгунець – це культура, дуже чутлива до механічних впливів на неї, він легко пошкоджується під час взаємодії з робочими органами машин, змінює свої характеристики. Тому, фізико–механічні та технологічні властивості льону завжди викликали певний науковий інтерес через те, що це є основою для обґрунтування параметрів робочих органів льонозбиральних машин і їхнього подальшого удосконалення.

Дослідженню фізико–механічних властивостей присвячено роботи М.І. Шликова, І.В. Крагельського, Г.А. Хайліса, А.С. Маята, Л.Н. Клятіса, П.Ф. Прибиткова, Л.А. Сторца, Б.П. Можарова, М.Н. Бикова, В.С. Брика, М.М. Ковальова, С.Ф. Юхимчука, М.М. Толстушка, В.О. Шейченка, А.Ю. Горбового та ін.

Дослідженням і обґрунтуванням параметрів робочих органів сільськогосподарських машин займались: А.Б. Лур’є, М.Н. Лєтошнєв, П.М. Василенко, С.І.Назаров, В.С.Ловейкін, В.М.Булгаков, В.І.Кравчук, Б.М.Гевко, Р.М.Рогатинський, А.С.Кушнарьов, В.Ф.Пащенко, у тому числі льонозбиральних машин: М.І.Шликов, М.Н. Шрейдер, М.Н. Биков, Г.А. Хайліс, М.М. Ковальов, П.О. Сторц, П.Ф. Прибитков, В.Г. Черніков , В.О. Шейченко, А.Ю. Горбовий та ін.

Незважаючи на значний обсяг досліджень, багато питань, що стосуються робочих органів льонозбиральних машин, не розв’язано , або не доопрацьовано.

Так, до останнього часу, дослідження взаємодії подільників і стебел проводились за умови, що пруток впливає на одне окреме стебло. На практиці ж прутки подільників діють на групу стебел; тому виникла необхідність у більш глибокому аналізі цього явища, в тому числі в аналізі впливу густоти стеблостою на якість роботи подільників.

Дослідження бральних апаратів раніше проводились без урахування зміни навантаження на ланки апарата на початку брання, що, в свою чергу, може вплинути в бік зменшення на швидкість руху та продуктивність агрегата.

Всі бральні апарати виробничих машин мають велику ширину захвату бральних секцій (380 мм).

Щодо поперечного транспортеру, то тут не було досліджено умови руху стебел у його каналі без забивань; не визначені закономірності сили тиску пальців транспортера на стебла та шляхи зменшення їхнього пошкодження; не визначено умови ущільнення стебел у каналі поперечного транспортера.

По обчісувальному апарату не досліджено процес уловлювання вороху та виводу його з камери очосу. Недостатньо досліджено інерційні навантаження на ланки барабана.

Недостатньо було досліджено роботу транспортера вороху, захват рухомою стрічкою транспортера вороху, який на неї попадає; поведінка вороху на стрічці транспортера під час повороту машини і особливості повороту причепа з ворохом відносно збиральної машини.

Не досліджено процеси взаємодії робочих органів льонозбирального комбайна зі стеблами льону в сенсі впливу їхніх конструктивних параметрів на агротехнічні показники якості збиральних робіт: розтягнутість, втрати вороху і насіння.

Враховуючи викладене, розробка теоретичних основ функціонування і методів розрахунку робочих органів льонозбиральних комбайнів є важливою технічною проблемою, вирішення якої необхідне для подальшого технічного прогресу механізації збирання льону.

На базі цього проведено постановку проблеми, окреслено мету і задачі досліджень.

У другому розділі «Теоретичні основи роботи механізмів для брання стебел з ґрунту і формування стеблової стрічки» розроблено теоретичні основи функціонування робочих органів льонозбирального комбайна, які впливають на основний агротехнічний показник якості збиральних робіт – розтягнутість стрічки. З метою досягнення сформульованої нами мети проведено дослідження роботи льонозбирального комбайна згідно з принципами системного аналізу складних технічних систем (якою й є льонозбиральний комбайн). Систему було замінено мікрорівневими складовими, тобто проведено декомпозицію складної системи.

До цього нас спонукала потреба проведення глибокого аналізу робочих органів льонозбирального комбайна з метою виявлення впливу їхніх параметрів на показники ефективності збиральних робіт та обґрунтування шляхів їхнього поліпшення. Графічне відображення процесу декомпозиції льонозбирального комбайна подано на рис. 1.

Однією з найважливіших агротехнічних вимог, яка повинна виконуватись в процесі роботи льонозбирального комбайна є забезпечення мінімальної розтягнутості стрічки стебел льону.

Розтягнутість розрізняють абсолютну та відносну. Відносна розтягнутість (за існуючими нормативами) не повинна перевищувати 1,2 раза. Якість роботи, як льонокомбайна вцілому, так і його окремих робочих органів, оцінюється як абсолютною так і відносною розтягнутістю, величина якої безпосередньо впливає на вихід довгого волокна під час переробки льоносировини.

Розтягнутість стрічки льону формується на мікрорівні 1 і зростає на мікрорівнях об’єкта дослідження 2 і 3 (рис. ). Скориставшись результатами емпіричного системного аналізу об’єкта дослідження, зауважимо, що параметри, які характеризують конструктивне оформлення та функціонування мікрорівнів 1, 2, 3 впливають не лише на основний показник якості збирання льону – розтягнутість стрічки, а й на ступінь пошкодження стебел у стрічці. При проходженні стебел льону через мікрорівень 4 (рис. ) також отримуємо додаткові пошкодження стебел (злам) ; крім того, на мікрорівнях 4 і 5 отримуємо небажані втрати вороху та насіння льону. Враховуючи вищесказане, уточнимо проблему дослідження: зменшення розтягнутості стрічки льону, пошкоджень стебел у стрічці та втрат вороху за рахунок удосконалення робочих органів льонозбирального комбайна, проведеного на підґрунті глибокого теоретичного аналізу їхньої роботи й взаємодії зі стеблами льону.

У цьому розділі нами проведено аналіз роботи пристроїв для розділення стеблостою на окремі смуги і їхнього нахилу в бік бральних рівчаків. Аналіз форм робочої кромки прутка подільника показав, що саме подільник з прямолінійним профілем робочих прутків (рис. , в) буде задовільно підводити стебла у бральні рівчаки та забезпечувати при цьому виконання основної агротехнічної вимоги.

Виведенням диференціальних рівнянь руху стебел по рухомій кромці подільника і їхнім розв’язком встановлено, що із збільшенням кута відгину і висоти установки носика подільника зростає зусилля, потрібне для підводу стебел в бральний рівчак. Диференційне рівняння руху стебел по рухомій кромці подільника:

З рівності (1) видно, що зі збільшенням сили Р та довжини l кут відгину стебла, яке підводиться подільником, зростає у квадраті, що відповідає фізиці цього явища; аналогічно зі зростанням шляху x руху подільника і зменшенням довжини l сила Р зростає, що також відповідає фізиці цього явища.

У процесі проведення аналізу встановлено, що: під час руху подільників разом із льонозбиральними машинами по полю їхні прутки постійно зустрічають стебла льону (рис. ) та впливають на них таким чином, щоб нахиляти їх в бік брального рівчака, а також в напрямку руху агрегата. При цьому має місце ковзання прутків по стеблах. Після закінчення впливу кожного прутка на стебла останні попадають в зону бральних пасів. Нахил стебел прутком відбувається в повздовжній вертикальній площині, яка проходить через стебло і його основу. Ковзання стебла по прутку відбувається в площині ковзання, яка утворюється прутком, що рухається та стеблом.

Спільний відгин стебел під час нахилу можна уявити як суму повздовжнього відгину в

напрямку руху і поперечного відгину. Поперечний відгин корисний через те, що сприяє підводу стебел у бральний рівчак апарата. Повздовжній відгин (рис. ) не бажаний, як такий, що погіршує процес підводу стебел у бральний рівчак. При зростанні повздовжнього відгину виникає небезпека непідводу стебел у бральні рівчаки та збільшення розтягнутості стеблин.

У реальних умовах роботи на пруток подільника лягає не один, а декілька шарів (рядів) стебел льону. Другий ряд стебел опиняється у такому положенні, що на нього ніби діє подільник більш широкий, ніж в дійсності. Це збільшення ширини відбувається на подвоєну товщину стебла. При цьому кут (загострення прутка подільника) залишається, але подовжується відстань на товщину стебла (з певним наближенням), тому (поперечний відгин стебел) зростає на товщину стебла і величина теж зростає на товщину стебла. Якщо врахувати ці викладки та розглянути формулу (2), за якою визначаємо відносний повздовжній відгин, бачимо, що за умови густого льону буде збільшення чисельника на мінімальну товщину стебла, а знаменник при цьому не змінюється. Через те, що збільшення відбувається на незначну величину, то можна стверджувати, що відносний повздовжній відгин мало залежить від густоти стеблостою.

Проведено також аналіз утворення розтягнутості пучка стебел під час роботи подільника та складено математичну модель, що описує це явище:

Аналіз отриманих графічних залежностей показав, що зменшення розтягнутості пучка стебел досягається за рахунок збільшення висоти встановлення носика подільника над поверхнею поля, збільшення кута встановлення подільників, зменшення величини кута загострення подільника та ширини захвату бральних секцій.

Нами також проведено аналіз впливу густоти стеблостою на якість роботи подільників.

Кількість стебел, на яку одночасно впливає пруток подільника, залежить від густоти стеблостою. При розташуванні стебел, які дотикаються прутка і розташовані щільно одне біля одного в один ряд, співвідношення довжини прутка до діаметру стеблини визначиться:

З цієї рівності максимальна густота стеблостою , при якій стебла дотикаються до прутка і при цьому розташовані в один ряд, визначиться:

де –довжина прутка подільника, – середній діаметр стебла.

Якщо , то стебла вільно дотикаються до прутка подільника, при цьому не торкаючись один одного. Якщо , то до прутка доторкається шар стебел, які щільно притиснуті одне до одного. Якщо , то до прутка дотикаються стебла, що сформували більше ніж один шар, і пруток буде діяти на стебла зовнішнього шару через стебла внутрішнього шару.

Число рядів стебел при буде:

Кут нахилу стебел до поверхні поля, який визначає розтягнутість стрічки льону з врахуванням густоти стеблостою визначиться:

Розтягнутість стрічки льону з урахуванням густоти стеблостою, яка визначає кількість шарів стебел, що лягають на пруток (формула 6), визначиться:

Для аналітичного дослідження впливу зміни потрібного положення прутків подільників на якість брання стебел розглянемо це явище на прикладі прутків, які рухаються в горизонтальній площині, тобто в площині, що паралельна поверхні землі. На рис. показано ці прутки: правий і лівий правого подільника і правий і лівий прутки лівого подільника .

Прутки подільників знаходяться на висоті h від поверхні поля. Елементарний пучок стебел переходить у бральний рівчак брального апарата, затискається між пасами і витягується з ґрунту. У разі відсутності ковзання затиснутих в рівчаку стебел вони не зміщуються одне відносно іншого, і в бральному рівчаку будуть розташовуватись так, як розташовувались біля точки і після цього були затиснуті, тобто зі зміщеними комлями. Зміщення комлів відбувається тому, що довжина частини стебла, яке стоїть вертикально, менше довжини частини нахиленого стебла, – так виникає розтягнутість пучка стебел.

Для того, щоб всі стебла під час роботи машини були вибрані, необхідно, щоб вони після впливу на них подільників опинились у бральних рівчаках машини і були затиснуті між бральними пасами.

Для брання всіх стебел, які є в полі, повинна виконуватися умова:

(9)

Після закінчення впливу подільників на підведені стебла льону останні потрапляють в зону дії пасів бральних апаратів. У розділі 2 нами розглядались типи і будова робочих органів для висмикування стебел із ґрунту і проведено дослідження робочих органів для висмикування стебел із ґрунту та формування стеблової стрічки. Проведено це дослідження для брального апарата з повздовжніми рівчаками (рис. ), як найбільш складного.

Це дослідження виконане при наступних припущеннях: а) агрегат рухається по рівному та горизонтально розташованому полю; б) вибрані стебла мають однакову масу та однаково чинять опір висмикуванню з ґрунту; в) стебла рівномірно розташовані по полю, а це означає, що після брання, рухаючись у бральному рівчаку, вони рівномірно розподіляться по довжині кожного рівчака; г) товщину пасів вважаємо незначною порівняно з радіусами шківів і роликів брального апарата. Розв’язок поставленої задачі проведений із застосуванням рівняння Лагранжа ІІ роду. Якщо через Е позначити кінетичну енергію системи, t – час, а Q – узагальнену силу, то рівняння в узагальнених координатах має вигляд:

Виведені також залежності для визначення радіальних навантажень та узагальненої сили.

Отримані рівняння, які виражають закономірності руху пасів на початку та в кінці брання стебел бральним апаратом, графічний розв’язок яких відображається залежностями, поданими на рис.9.

З метою оцінки нерівномірності обертання валів брального апарата нами введено коефіцієнт:

Наведений коефіцієнт характеризує втрати на тертя в регуляторі та його чутливість. Чим менше , тим кращі умови роботи машини, які забезпечуються регулятором. Якщо наближається до нуля, то при роботі льонокомбайна немає різких перепадів швидкостей та прискорень, а відповідно й додаткових динамічних навантажень.

На ефективність роботи брального апарата та розтягнутість стрічки вибраного льону, як зазначалось вище, впливають: висота стеблостою льону та його густота, швидкість руху льонозбирального агрегата, висота встановлення носиків подільників над землею та інші фактори.

Всі дослідження (як теоретичні, так і експериментальні) показали, що найсуттєвіший вплив має ширина захвату бральної секції, тобто відстань між носиками подільників, яка в існуючих бральних апаратах становить 38 см. Однак, використання бральних апаратів із такою шириною захвату призводить до збільшення розтягнутості, що особливо проявляється на полеглому льоні. Це є недоліком бральних апаратів.

Для усунення вищезгаданого недоліку, нами проводився пошук шляхів зменшення ширини захвату бральних секцій без надлишкового ускладнення їхньої конструкції.

Аналіз показав, що показник складності конструкції брального апарата з поперечними рівчаками значно менше, ніж у апарата з повздовжніми рівчаками, тому працювати в напрямі зменшення ширини захвату секцій з одночасним незначним ускладненням конструкції апарата (рис. ) краще над бральним апаратом з поперечними рівчаками (цей апарат, якщо в ньому добавити шківи, ролики і паси, суттєво не ускладнюється).

Рис. . Залежності показників складності конструкції брального апарата від ширини захвату секції: 1–приВ=1,52м;2–приВ=1,90м;3–приВ=1,52м;4 – при В=1,90 м.

Працюючи над таким апаратом, треба також врахувати, що в кожній секції довжина бральної ділянки повинна бути достатньою для того, щоб забезпечити повне витягування кореня стебла з ґрунту. Довжина бральної зони повинна бути не менше 25 см, як показали дослідження.

Якщо ж зменшити ширину так, щоб вона була менше 30 см, то довжина бральної ділянки буде недостатньою, але завдання буде полягати в пошуку шляхів збереження довжини .

Подальше зменшення ширини (менше 30 см) можливе, якщо бральні ролики апарата з поперечними рівчаками перемістити вперед і ближче до подільників з метою забезпечення збільшення дуги обхвату кожного шківа пасом. Схема частини такого брального апарату подана на рис. 11.

Зменшення ширини захвату проведене нами до 260 мм через те, що, як бачимо з рис. , подальше зменшення призведе до значного зростання складності конструкції брального апарата.

Параметри брального апарата знаходять на основі наступних формул:

Нами також був проведений аналіз дії транспортерів для формування стрічки льону і подачі її на наступні робочі органи. При цьому було складено графічну і математичну моделі руху стебел льону у поперечному транспортері льонокомбайна (рис. ). Рівняння руху складені з урахуванням, що стебло є твердим тілом.

Розв’язком цих рівнянь було отримано залежність для визначення граничного кута повороту стебел у каналі поперечного транспортера.

Поворот є негативним фактором у транспортуванні стебел, тому що стебла, які зайняли положення паралельно вісі x, не будуть переміщуватись (транспортуватись). Вони будуть накопичуватися і почнуть ущільнюватись. Це приведе до додаткового пошкодження стебел, забивання поперечного транспортера і буде потребувати збільшення числа рядів ланцюгів, особливо у нижній його частині.

. Ступінь заповнення бральних рівчаків залежить від ширини захвату бральних секцій, густоти стеблостою та швидкості машини. Щільність стрічки, яка з бральних рівчаків поступає у канал поперечного транспортера, характеризується коефіцієнтом заповнення каналу:

У третьому розділі «Теорія виводу вороху з камери очосу та основи процесу його транспортування в причіп» проведено дослідження, спрямовані на зменшення втрат вороху в льонозбиральному комбайні.

Базуючись на наведених вище викладках, ми рекомендуємо використовувати трьохгребеневий барабан, який забезпечує мінімальні пошкодження стебел.

Крім того фактора, що збільшення кількості впливів на стебла з боку зубців призводить до додаткового їхнього пошкодження, необхідно враховувати, що крім очосу гребені виконують функцію транспортування. На гребенях встановлені транспортні лопаті, які уловлюють і виводять ворох за межі камери очосу. Проведені досліди показали, що однієї лопаті, встановленої на цих гребенях, недостатньо для уловлювання вороху. Тому вважаємо доцільним використання очісуючого барабана, який скомпонований за схемою, поданою на рис. .

Барабан має шість гребенів, з них три – з зубцями та лопатнями й три – без зубців, але теж із лопатнями. Гребені з зубцями та лопатнями призначені для відриву насіннєвих коробочок від стебел, уловлювання цих коробочок і виводу їх із камери очосу. Гребені з лопатнями без зубців – для уловлювання коробочок і виводу їх із камери очосу. Запропоновані нами додаткові верхні горизонтальні лопатні 4 (рис. ) у гребенів призначені для усунення падіння насіннєвих коробочок вниз у камері очосу при сповільненому обертанні барабана і при його зупинці.

Очісуючий барабан є складною конструкцією, на елементи якої при обертанні діють інерційні навантаження. Тому актуальним є розв’язок задачі, пов’язаної з визначенням динамічних навантажень на ланки барабана, який дав можливість зробити висновок про ступінь зрівноваженості конструкції барабана під час обертання за умови зміни конструкції (встановлення додаткових верхніх лопатней). Наявність сил інерції призводить до збільшення навантажень на опори; крім того, їхня дія може спричиняти згин гребенів, зростання напруження в деталях механізму. Розрахунки показали, що сили інерції ланок барабана зрівноважуються з прийнятим допущенням щодо рівності маси гребенів та їхніх лопатней.

Після очосу стебел гребнями барабана насіннєві коробочки та інші продукти очосу повинні бути уловлені лопатнями гребенів і подаватися ними до виходу з камери очосу.

ворох починає ковзання по лопаті (без відриву від її поверхні); ворох відривається від поверхні при виконанні умови

За умови, що частка вороху знаходиться на лопаті , при виконанні рівності (21), ворох буде відриватись від лопаті і вилітати з камери очосу на стрічку транспортера.

В існуючій компонувальній схемі льонокомбайна ЛК–4А взаємне розташування камери очосу і транспортера вороху не забезпечує уловлювання стрічкою транспортера всього вороху, який вилітає з камери. Задача про розташування транспортера вороху була розв’язана з використанням диференціальних рівнянь криволінійного руху вороху. Розв’язок цих рівнянь дав можливість отримати вирази для визначення координат, які характеризують положення транспортера вороху відносно очісувального барабана:

Для забезпечення повного уловлювання стрічкою транспортера вороху фактична відстань по горизонталі від камери очосу до транспортера вороху повинна становити , де – коефіцієнт запасу, а висота встановлення транспортера визначається величиною .

Дослідженням транспортування вороху встановлено формули для розрахунку сил натягу веденої та ведучої віток транспортера, колової сили та потрібної потужності. Встановлено, що потужність, яку споживає транспортер, залежить від початкового натягу стрічки, її швидкості, урожайності льону, кута нахилу несучої вітки до горизонту, а також частки вороху в урожаї льону.

Потужність, потрібна для роботи транспортера вороху визначається за формулою:

За отриманою залежністю проведено обрахунки з метою аналізу впливу параметрів, що входять у цю формулу, на величину потужності, потрібної для роботи транспортера вороху льонокомбайна. Розрахунки проведено з використанням програми Mathcad 13. На рис. наведено отримані залежності.

З отриманої графічної моделі бачимо, що ранжування факторів, які впливають на величину потрібної потужності, буде таким: 1 – швидкість стрічки транспортера; 2 – урожайність льону; 3 – величина попереднього натягу стрічки. Аналіз отриманих графічних залежностей також дав можливість зробити наступні рекомендації : кут нахилу транспортеру вороху не повинен перевищувати 150; швидкість стрічки транспортера вороха має складати 1,6 – 1,8м/с.

Рис. . Залежність потрібної потужності від швидкості транспортера вороху при різних кутах нахилу транспортера.

Під час руху комбайна на поворотах повертається й транспортер, що призводить до зміщення вороху відносно стрічки транспортера та зміни напрямку його руху.

З метою аналізу процесу руху вороху по стрічці транспортера під час повороту машини було складено графічну модель (рис. ).

Ширина камери очосу лише на 27 мм менша від ширини стрічки транспортера вороху. Ворох виводиться з камери очосу і падає на рухому стрічку у вигляді часток, розкиданих по всій її ширині. Ми маємо модель матеріалу, яка являє собою розподілений по ширині транспортера сипкий рослинний матеріал незначної висоти. За таких умов ми можемо, з деяким припущенням, записати диференціальні рівняння руху для кожної складової вороху. Якщо розглядати складові як тверді тіла, то рух твердого тіла в просторі будуть описувати шість рівнянь. З них: три – рівняння руху центра мас тіла та три – рівняння сферичного руху навкруги центра мас:

Нам потрібно проаналізувати лише рух тіла в напрямку причепа. Для цього випадку достатньо буде розв’язати три диференціальних рівняння руху центра ваги тіла. Сферичний рух навкруги осі, що проходить через центр мас тіла, ми не розглядаємо через те, що кутові швидкості будуть дорівнювати нулю або незначно від нього відрізнятись. З урахуванням вищесказаного нами проведений аналіз.

Закон руху вороху по стрічці транспортера описується такими диференціальними рівняннями:

Розв’язком цих диференціальних рівнянь визначено граничну кутову швидкість повороту льонокомбайна, при якій ворох починає рухатись відносно стрічки транспортера:

Проведений аналіз показав, що переміщення вороху по стрічці зростає зі збільшенням часу, а зі збільшенням кута нахилу транспортера вороху до землі збільшується переміщення часток вороху в бік бортів транспортера, що призводить до нерівномірності розподілу вороху по ширині стрічки і виліту часток вороху за межі візка. При цьому встановлено, що при куті нахилу транспортера вороха, що не перевищує до горизонту такого польоту, а значить і втрат вороху немає.

Рис. . Графіки переміщення частки вороху по стрічці транспортера Льонозбиральний комбайн працює в основному при прямолінійному русі агрегата. Брання льону під час повороту припиняється. В той же час у льонокомбайні продовжує здійснюватись процес очосу льону, який поступив у камеру очосу, тому ворох продовжує поступати в причіп і на поворотах. Саме в цей момент виникає небезпека висипання вороху за борт кузова візка.

Максимально допустимий кут , при якому границі простору, в якому знаходиться ворох, торкаються борта кузова причепа, що унеможливлює втрати, визначиться:

У четвертому розділі «Програма, методика та результати експериментальних досліджень» описано засоби та методику проведення експериментальних досліджень.

Програмою експериментальних досліджень передбачено:– 

виявлення впливу основних параметрів подільників льонозбиральних комбайнів, а також впливу густоти стеблостою льону на величну розтягнутості;– 

визначення густоти стеблостою та параметрів подільників на значення кута нахилу стебел до землі;– 

отримання даних про величину розтягнутості, яка створюється в бральних рівчаках і порівняння її з величиною розтягнутості стебел, що сходять з прутків подільників;– 

перевірка достовірності основних теоретичних положень, які є основою для створення вузькозахватного брального апарата;– 

проведення польових випробувань льонозбирального комбайна, обладнаного бральним апаратом з шириною захвату 26 см.

Дослідження проводились на полях господарств Всеросійського науково–дослідного і проектного технологічного інституту механізації льонарства, м.Тверь, Львівської філії Українського науково–дослідного інституту прогнозування та випробування техніки та технологій для сільського виробництва імені Л.Погорілого; а також в лабораторних умовах за допомогою лабораторних установок.

Опрацювання результатів експериментальних досліджень виконано із застосуванням методів математичної статистики.

Аналіз проведених досліджень, виконаних при незначній мінливості, за умови, що коефіцієнт варіації становить 2,99%, тобто менший за 10%, показав, що висота установки носика подільника повинна відповідати 0,35–0,6 технічної висоти стебла. При виконанні цієї умови розтягнутість не перевищує допустимої величини (1,2 раза).

Кут нахилу стебел льону до землі, який утворюється внаслідок впливу на них прутків подільників, зменшується із зростанням густоти стеблостою льону. Зменшення кута нахилу, в свою чергу, призводить до зростання розтягнутості стебел, що є небажаним. Зменшити розтягнутість можливо за рахунок збільшення висоти встановлення носика подільника над землею, а також за рахунок зменшення ширини захвату прутків подільників.

Визначення впливу густоти стеблостою льону та параметрів подільників на величину кута нахилу стебла до поверхні поля проводилось як в лабораторних умовах, так і із застосуванням методу математичного планування експерименту. Надійність досліджень становила 0,95, поверхня відгуку представлена на рис. 

Розтягнутість стебел в бральних рівчаках на 25–30% більша, ніж розтягнутість, яку створюють подільники. Біля виходу з брального рівчака розтягнутість ще зростає на 10–12%.

Важливим шляхом зменшення розтягнутості стрічки льону під час брання стебел є вирівнювання поля перед посівом, включаючи й прокатування ґрунту гладкими катками.

Польові випробування брального апарата зі зменшеною до 26 см шириною захвату бральної секції (рис. , ) підтвердили доцільність такої зміни конструкції. Застосування цього брального апарата дозволило збільшити вихід довгого волокна в середньому на 15,9% (рис. ), зменшити відносну розтягнутість стрічки на 10,1%, а загальна кількість відсоткономерів зросла на 23,6%.

Залежність величини абсолютної розтягнутості стрічки стебел від ширини захвату бральної секції В із зазначенням впливу цих величин на вихід довгого волокна (%).

Адекватність умов, що забезпечують транспортування стебел в каналі поперечного транспортера, встановлена в результаті проведених експериментальних досліджень. При цьому коефіцієнт варіації дослідів становив 3% при довірчій ймовірності 0,95. Проведені тензометричні дослідження показали, що транспортування стебел можливе за умови, що коефіцієнт заповнення перерізу каналу не перевищує 0,21. Причому, при настає ущільнення стрічки стебел, а при канал забивається і машина потребує зупинки для його очищення.

Доцільність запропонованої нами конструкції очісуючого барабана підтверджена результатами проведених у польових умовах дослідів, які показали, що застосування трьохгребеневого барабана з трьома додатковими гребенями без зубців і встановленими на всіх гребенях верхніми лопотнями призвело до зменшення втрат вороху на 2%.

У п’ятому розділі «Економічна ефективність удосконалених у відповідності з рекомендаціями робочих органів льонозбирального комбайна» виконано розрахунок економічної ефективності від експлуатації льонозбирального комбайна зі встановленим новим вузькозахватним бральним апаратом, дволанцюговим поперечним транспортером і модернізованим очісувальним апаратом, а також від зміни якості льонопродукції проведено згідно з «Методикою визначення економічної ефективності нових і модернізованих сільськогосподарських машин».

Розрахунок проводили на фоні порівняння однотипних характеристик для базової машини – льонокомбайна ЛК–4А і удосконаленого льонокомбайна.

Основними передумовами для отримання економічного ефекту були:

1) зменшення втрат соломки на 46%, насіння – на 97%, відносної розтягнутості – на 10,1%, виходу довгого волокна – на 15,9% за рахунок покращення показників якості отриманої льонопродукції (розділ 3);

2) зменшення металоємкості конструкції поперечного транспортера.

Розрахунок економічної ефективності проведений в середніх цінах на кінець 2007 року.

Результати, отримані нами, підтверджують доцільність наших досліджень, наслідком яких було проведення удосконалення конструкції робочих органів льонозбирального комбайна, що, в свою чергу, призвело до поліпшення показників якості процесу збирання. Річний економічний ефект від експлуатації нової машини становить 6922 грн.

ВИСНОВКИ

1. Дисертація є науково – дослідною роботою, в якій здійснено теоретичне узагальнення і практичне вирішення науково – технічної проблеми розробки теоретичних основ функціонування і методів розрахунку робочих органів льонозбиральних комбайнів і створення на цій основі удосконалених робочих органів, що дозволило підвищити агротехнічні показники якості роботи льонозбиральних комбайнів та зменшити втрати льонопродукції.

2. З аналізу процесу взаємодії подільників із стеблостоєм льону з урахуванням його густоти та отриманих залежностей для визначення кута нахилу стебел до поверхні поля та розтягнутості стрічки