Обоснование параметров соломоизмельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Ягельский Михаил Юрьевич

• Ягельский Михаил Юрьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ягельский Михаил Юрьевич

Аннотация

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы использования соломы в качестве органического удобрения при комбайновой уборке зерновых

1.1 Предпосылки использования соломы в качестве органического удобрения

1.2 Комбайновые технологии уборки зерновых культур с измельчением и разбрасыванием незерновой части урожая

1.3 Агротехнические требования к машинам и устройствам для измельчения и разбрасывания соломы

1.4 Обзор конструктивно-технологических схем измельчителей-разбрасывателей соломы и классификация их рабочих органов

1.5 Анализ теоретической базы процессов измельчения и распределения стебельных материалов

1.6 Постановка цели и задач научного исследования

1.7 Выводы по Главе

Глава 2. Теоретическое исследование процессов измельчения и

разбрасывания соломы измельчителем зерноуборочного комбайна. Оптимизация параметров лопастных ножей и противорезов с криволинейным лезвием

2.1 Анализ взаимодействия частиц НЧУ с вогнутой поверхностью направляющей пластины разбрасывателя и выбор принципиальной конструкции ножей

2.2 Исследование процесса перемещения и разбрасывания измельченных частиц НЧУ лопастными ножами с угловым расположением лопастей

2.3 Элементы геометрической теории и обоснование процесса резания

растительного материала в зазоре режущей пары с противорезом, имеющим

2

вогнутую режущую кромку в форме логарифмической спирали, с полюсом на

оси вращения ротора

2.4 Выводы по Главе

Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований. Усовершенствование измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна

3.1 Программа экспериментальных исследований

3.2 Общие методы исследований, лабораторные приборы и оборудование

3.2.1 Краткая методика планирования и проведения экспериментов

и статистической обработки полученных данных

3.2.2 Контрольно-измерительные приборы и оборудование

3.3 Оригинальные экспериментальные установки и оборудование

3.3.1 Ротационный копер

3.3.2 Экспериментальная установка для оценки качественных и энергетических показателей работы измельчителя-разбрасывателя

3.3.3 Устройство для отбора проб измельченной соломы от зерноуборочных комбайнов

3.3.4 Усовершенствование рабочих органов измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна и подготовка его к полевым испытаниям

3.4 Методики проведения частных экспериментов

3.4.1 Определение влажности растительного материала

3.4.2 Определение работы разрушения стеблей соломы

3.4.3 Методика исследования аэродинамических характеристик измельченных соломистых частиц

3.4.4 Оценка степени торцевого расщепления продуктов измельчения

3.4.5 Оценка неравномерности распределения измельченной соломы

по поверхности поля

3

3.4.6 Определение гранулометрического состава и средневзвешенной длины продуктов измельчения

3.4.7 Методика определения энергетических показателей измельчителя-разбрасывателя в модельных и полевых условиях

3.4.8 Методика проведения многофакторного эксперимента по оптимизации параметров рабочих органов измельчителя

3.5 Выводы по Главе

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований конструктивно-технологических параметров рабочих органов соломоизмельчителя-разбрасывателя и их анализ

4.1 Результаты лабораторных исследований

4.1.1 Исследование аэродинамических показателей измельченной соломы

4.1.2 Исследование энергии разрушения стеблей некоторых зерновых

и крупяных культур

4.2 Влияние конструкционных характеристик режущей пары и режимных параметров измельчителя на качественные и энергетические показатели рабочего процесса (результаты многофакторного эксперимента)

4.3 Результаты полевых испытаний зерноуборочного комбайна, оборудованного экспериментальным измельчителем-разбрасывателем

НЧУ

4.3.1 Секторное исследование распределения размеров и однородности частиц измельченной соломы

4.3.2 Равномерность распределения измельченной НЧУ по ширине разбрасывания

4.3.3 Результаты оценки степени торцевого расщепления стеблей методом влагонасыщения

4.3.4 Анализ расхода топлива при работе экспериментального

комбайна

4

4.4 Выводы по Главе

Глава 5. Оценка технико-экономической эффективности применения зерноуборочного комбайна с экспериментальным измельчителем НЧУ

5.1 Объект экономической оценки. Субъекты наложения расчет

5.2 Показатели экономической оценки

5.2.1 Исчисление эксплуатационных затрат

5.2.2 Расчет основных показателей экономической эффективности

5.2.3 Расчет дополнительных показателей экономической эффективности

5.3 Выводы по Главе

Заключение

Публикации автора по теме диссертации

Термины и определения

Список литературы

Приложения

Аннотация

Структура и объём диссертационной работы состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 272 страницах, из них 238 страниц основной части, содержащая 100 иллюстраций и 26 таблиц, а также 18 приложений. Список литературы включает 194 наименования, из которых 37 - иностранные.

В работе решаются вопросы повышения эффективности средств механизации для обеспечения технологии уборки зерновых и других культур с измельчением и разбрасыванием соломы, за счет повышения качества работы и снижения энергоемкости измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна, путем достижения веерного разбрасывания измельченных частиц приданием им направленных импульсов удара и воздушного потока, а также обеспечением постоянного угла защемления в режущей паре "нож-противорез", на всей длине лезвия, при увеличении длины последнего, без изменения габаритных размеров противореза.

Решаются задачи, связанные с исследованием процессов взаимодействия рабочих органов измельчителя-разбрасывателя с измельчаемым материалом и установлением теоретических и экспериментальных закономерностей, позволяющих обосновать основные конструкционные характеристики элементов режущей пары и режимные параметры устройства; разработкой новых рабочих органов измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна, использование которых обеспечивает повышение качества распределения измельченной соломы и снижение потребляемой энергии; разработкой и изготовлением приборов и оборудования для проведения комплекса лабораторно-полевых исследований; проведением серии лабораторных экспериментов и полевых испытаний, позволяющих оценить степень адекватности результатов теоретических исследований и оптимизировать конструктивно-технологические параметры экспериментального образца измельчителя-разбрасывателя, на примере зерноуборочных комбайнов Aeros 550 Ростсельмаш и John Deere W650; определением технико-экономической эффективности предлагаемых технологических и технических решений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров соломоизмельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна»

Введение

Актуальность работы. Производство продукции растениеводства, интенсивное земледелие обусловливают агрохимические и биологические процессы, связанные с обеднением и деструктуризацией пахотных почв России, снижением их плодородия.

Так, например, в Орловской области, вызванный активным выносом органической массы, баланс питательных веществ в почвах пашни с 1992 г стал отрицательным (по годам от -3,7 до -123 кг га-1 д.в.), содержание гумуса снизилось на 14,1...20,6%. На дерново-подзолистых почвах ежегодно потери гумуса составляют от 0,5.0,7 т га-1 под зерновыми культурами и до 1,5.2,0 т га-1 - в чистом паре [81].

Исходя из сложившихся условий, перед земледельцами, агрохимическими службами и научными коллективами ставятся задачи по разработке новых высокоэффективных и низкозатратных и экологически безопасных технологий использования органических удобрений, поиску альтернативных видов дешевого органического сырья. Многолетние исследования и практика показали, что в арсенале органических удобрений с успехом может внедряться солома зерновых и других культур.

В настоящее время большинство стран с развитым сельскохозяйственным производством используют солому в качестве органического удобрения [92; 172; 173; 186]. Так, в США доля соломы в общем объеме применяемых органических удобрений превышает 53%. В Германии - 45% произведенной соломы заделывается в почву. При этом доля соломы в общем объеме органических удобрений составляет здесь под сахарной свеклой 72%, под пшеницей -71%, под озимым ячменем - 58%, тогда как в начале семидесятых годов этот показатель не превышал 25%. Во Франции почти 85. 90% соломы запахивается на удобрения, либо используется в животноводстве (с последующим внесением на поля соломисто-навозной массы) [47; 109]. В Англии, из 13,435 млн. тонн получаемой соломы, 5,73 млн. тонн используется для заделки в почву, в качестве органического удобрения [193].

По данным ряда отечественных исследователей [63; 93], запашка 5 т га-1 соломы повышает содержание гумуса на 0,04%, а удвоенная доза - на 0,09%. При этом, выход кормовых единиц составляет 221,4 ц, а при добавлении 50 кг азота - 225,7 ц, превышая на 6,1 и 10,4 ц вариант использования полной дозы минеральных удобрений (^оРшКбо).

Однако, при механизированном способе использования соломы в качестве удобрения, следует уделять особое внимание качеству ее подготовки и распределения по площади поля. Так, например, от величины размерной фракции зависит интенсивность разложения растительных частиц. Увеличение средневзвешенного размера частиц увеличивает срок гумификации соломистой массы. Чрезмерное измельчение стеблей способствует боковому сносу частиц при разбрасывании. Неравномерное распределение соломы (особенно сгружи-вание массы по центру прохода, локальные скопления соломы), ведет к забиванию рабочих органов почвообрабатывающих машин, увеличению токсичности почвы, угнетению растений в первые месяцы разложения соломистых частиц [139]. Кроме того, особое внимание необходимо уделять энергопотреблению устройств, предназначенных для выполнения операции измельчения и разбрасывания НЧУ

Одним из путей решения этой задачи может стать выбор рациональной конструкции рабочих органов и оптимизация технологических режимов работы измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна, обеспечивающие снижение энергопотребление при измельчении соломы и качественное распределение измельченной НЧУ по ширине зоны разбрасывания.

Исходя из этих предпосылок, теоретическое обоснование и разработка ножей режущей пары соломоизмельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна, обеспечивающих повышение качества измельчения и разбрасывания НЧУ, при минимальном энергопотреблении, является актуальной и своевременной задачей.

Степень разработанности темы. Работа направлена на решение задачи

повышения качества работы и снижения затрат энергии измельчителей-

8

разбрасывателей зерноуборочных комбайнов, на основе оптимизации конструктивно-технологических параметров режущей пары.

В известных трудах показано, что существенного улучшения процесса подпорного резания лезвием можно добиться применением криволинейных ножей; управление процессом рассеивания возможно за счет изменения траектории частиц. Однако не рассмотрена теория резания лезвием сложной геометрической формы, не изучено влияние косо установленных бил на траекторию перемещения частиц.

Цель исследования. Основной целью настоящей работы является повышение эффективности и снижение энергоемкости технологии уборки зерновых и других культур с использованием соломы в качестве органического удобрения, путем теоретического обоснования параметров и разработки ножей режущей пары соломоизмельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна.

Задачи исследований. Основными задачами исследований являлись:

- разработать классификации измельчителей-разбрасывателей зерноуборочных комбайнов и их рабочих органов, а также типологию ножей;

- обосновать аналитические зависимости для расчета ширины зоны разбрасывания измельченной соломы лопастными ножами, с угловым расположением лопастей и мощности, потребной на измельчение соломистых продуктов, при использовании противорезов с криволинейным лезвием;

- разработать и изготовить комплекс лабораторных приборов и оборудования для проведения лабораторных исследований и полевых экспериментов;

- изучить физико-механические свойства соломистых материалов, в применение к процессам их измельчения и распределения; спланировать и провести факторный эксперимент по оптимизации параметров измельчителя-разбрасывателя;

- разработать комплект усовершенствованных рабочих органов измельчителя-разбрасывателя и провести полевые экспериментальные исследования

работы зерноуборочного комбайна, с целью определения влияния его исполь-

9

зования на основные качественные и энергетические показатели работы и оценки технико-экономической эффективности.

Научная новизна. Научную новизну представляют:

- теоретическая закономерность взаимодействия частиц НЧУ с вогнутой поверхностью направляющей пластины разбрасывателя;

- математическая зависимость, устанавливающая взаимосвязь пространственных координат траектории свободного движения частицы, а также результаты анализа процесса резания стебельных материалов в зазоре режущей пары с противорезом, имеющим вогнутую режущую кромку в форме логарифмической спирали, с полюсом на оси вращения ротора;

- способ секторного отбора проб измельченной соломы за зерноуборочным комбайном, обеспечивающий повышение точности измерений, а также устройство для его осуществления. Способ и устройство защищены патентом РФ на изобретение №2556073;

- конструкция измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна, оснащенного лопастными ножами с косо установленными лопастями, а также противорезами, режущая кромка которых выполнена вогнутой, в виде логарифмической спирали с полюсом, расположенным на оси вращения ротора, защищенная патентом РФ на изобретение №2647902;

- закономерности изменения энергозатрат измельчителя и неравномерности распределения соломы от окружной скорости точки рабочей поверхности ножа ротора, угла установки лопасти ножа и формы режущей кромки противо-реза с использованием метода факторной оптимизации.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- классификация измельчителей-разбрасывателей зерноуборочных комбайнов и их рабочих органов, а также типология ножей;

- метод и устройство для отбора контрольных проб измельченной соломы от зерноуборочного комбайна, способ вычисления статистических показателей по процентному содержанию размерных фракций частиц, снижающие погрешность измерений, а также рекомендации к качеству выполне-

10

ния технологической операции, могут использоваться при испытаниях зерноуборочной техники;

- предложенный измельчитель-разбрасыватель соломы зерноуборочного комбайна, оснащенный лопастными ножами, с косо установленными лопастями, а также противорезами, режущая кромка которых выполнена вогнутой, в форме логарифмической спирали, с полюсом, расположенным на оси вращения ротора обеспечивает высокие качественные показатели работы и снижение энергопотребления, при выполнении технологической операции;

- получены новые данные о физико-механических свойствах стебельных материалов в применение к процессам резания и разбрасывания;

- содержащиеся в работе научные положения и выводы, позволяют оптимизировать конструктивно-режимные параметры измельчителей, как на стадии проектирования, так и при доработке имеющихся в хозяйствах устройств;

- разработанный комплекс лабораторных приборов и оборудования, а также материалы диссертации используются в учебном процессе ФГБОУ ВО Орловский ГАУ.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования базируются на теориях упругости, удара, механики разрушения, подобия. Использованы методы системного исследования, методы математической статистики и моделирования, методы планирования и обработки результатов эксперимента. Полевые испытания проводились по ГОСТ Р 54783-2011, ГОСТ 20915-2011, ГОСТ 28301-2015.

Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся основные положения научной новизны и практической значимости выполненных исследований.

Степень достоверности результатов работы. Достоверность результатов исследований подтверждена экспериментальными данными. Ошибка в определении контролируемых показателей не превышала 5%. Адекватность теоретических положений подтверждена экспериментальными исследованиями

по критериям согласия К. Пирсона, А.Н. Колмогорова, Р. Фишера.

11

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований доложены и одобрены на Всероссийских и Международных научно-практических конференциях на базе ФГБОУ ВО Орловский ГАУ, г. Орел (2011-2017 гг.), 67-ой Международной научно-практической конференции "Инновационные подходы к развитию агропромышленного комплекса региона", г. Рязань, (2016 г.), XX Международной научно-производственной конференции "Проблемы и перспективы инновационного развития агротехнологий", г. Белгород (2016 г.), региональном Круглом столе «Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии в сфере агропромышленного комплекса, природопользования и экологии как основа повышения эффективности сельскохозяйственного производства, развития экологических процессов на территории региона. Проблемные аспекты их внедрения. Пути решения», г. Орел, (2017 г.).

Все экспериментальные исследования выполнены в лабораториях и на опытных полях ФГБОУ ВО Орловский ГАУ (г. Орел), а также в хозяйственных условиях на производственных полях ООО «ЭлитБиоПродукт» (д. Шепино Орловского района Орловской области).

Глава 1. Современное состояние проблемы использования соломы в качестве органического удобрения, при комбайновой уборке зерновых

1.1 Предпосылки использования соломы в качестве органического

удобрения

Производство продукции растениеводства, интенсивное земледелие обусловливают агрохимические и биологические процессы, связанные с обеднением и деструктуризацией пахотных почв России, снижением их плодородия.

Так, подсчитано, что ежегодно на Кубани с каждого гектара пашни теряется до 0,8...1,2 т гумуса, 0,7 кг подвижного фосфора, 13,5 кг обменного калия [115]. Исследованиями ученых Донецкого ГАУ установлено [63], что за 30-летний период от перенасыщения севооборотов зерновыми культурами, негативного воздействия на почву рабочих органов машин, ходовых частей энергетических средств снижение гумуса составило 28% - с 4,6 до 3,3%, при том, что в более ранний период, содержание гумуса в этой почве составляло не менее 7.10%.

25-летними исследованиями КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко показано [93], что возделывание полевых культур в десятипольном зернопропашном севообороте, на 50% насыщенном озимой пшеницей, без применения удобрений приводит к снижению гумуса в слое почвы 0.40 см на 0,34%.

Изучением агроэкологических и земледельческих проблем Центрально-Черноземного округа (ЦЧО) и юга Нечерноземья выявлено, что сопоставление результатов современных почвенно-агрохимических обследований и земледельческого использования сельскохозяйственных угодий с материалами аналогичных работ 100-, 60-, 40- и 30-летней ретроспективы явно свидетельствует об очевидном тренде увеличения уровня деградации почв на территории ЦЧО и Нечерноземной зоны Российской Федерации.

В Орловской области, вызванный активным выносом органической массы, баланс питательных веществ в почвах пашни с 1992 г стал отрица-

тельным (по годам от -3,7 до -123 кг га-1 д.в.), содержание гумуса снизилось на 14,1.20,6%. На дерново-подзолистых почвах ежегодно потери гумуса составляют от 0,5.0,7 т га-1 под зерновыми культурами и до 1,5.2,0 т га-1 - в чистом паре [81].

Известно, что основными источниками сохранения плодородия почвы, пополнения ее органическим веществом, являются пожнивно-корневые остатки убираемых культур и органические удобрения. Однако содержание растительных остатков в почве после уборки невелико и не может в полной мере возместить потери гумуса. Компенсировать снижение количества питательных веществ в почвенном слое за счет внесения органических удобрений также проблематично, ввиду их недостатка.

Так, по данным различных авторов [70; 115; 139] для сохранения почвенного плодородия необходимо ежегодно вносить 7.10 т навоза на 1 га пашни. Для Орловской и ряда других областей приостановить деградацию почв и обеспечить бездефицитный баланс гумуса позволило бы внесение органических удобрений, в среднем объеме 10.18 т га-1 [81]. В целом, по стране, для компенсации естественной убыли гумуса требуется 800 млн. тонн органических удобрений, однако фактические потребности удовлетворяются всего на 10.12% [56].

Исходя из сложившихся условий, перед земледельцами, агрохимическими службами и научными коллективами ставятся задачи по разработке новых высокоэффективных и низкозатратных и экологически безопасных технологий использования органических удобрений, поиску альтернативных видов дешевого органического сырья. Многолетние исследования и практика показали, что в арсенале органических удобрений с успехом может внедряться солома зерновых и других культур (рис. 1.1).

Впервые, попытки использования соломы в качестве удобрения были предприняты еще в начале XIX века. Однако они не имели успеха, т.к. следующая культура снижала урожайность [186; 189]. Впоследствии, значительные результаты в этой сфере показали исследования, проведенные в Германии, в

Рисунок 1.1 - Использование соломы в качестве удобрения

университете г. Бреслау коллективом ученых, под руководством профессора Пфеффера [47].

В России первые исследования использования соломы на удобрение проводились в 1900 г. И. Каширский, на подзолистых почвах при запашке 5 т га-1 соломы, получил 9,7% прибавки урожая зерна яровой ржи [70]. В настоящее время большинство стран с развитым сельскохозяйственным производством используют солому в качестве органического удобрения [161; 162; 164; 175]. Так, в США доля соломы в общем объеме применяемых органических удобрений превышает 53%. В Германии - 45% произведенной соломы заделывается в почву. При этом доля соломы в общем объеме органических удобрений составляет здесь под сахарной свеклой 72%, под пшеницей - 71%, под озимым ячменем - 58%, тогда как в начале семидесятых годов этот показатель не превышал 25%. Во Франции почти 85.90% соломы запахивается на удобрения, либо используется в животноводстве (с последующим внесением на поля соломисто-навозной массы) [99; 158]. В Англии, из 13,435 млн. тонн получаемой соломы, 5,73 млн. тонн используется для заделки в почву, в каче-

стве органического удобрения (рис. 1.2) [178]. Приоритет использования измельченной соломы в качестве органического удобрения отражает тот факт, что ни в одной стране мира, кроме России, на комбайнах не применяют копнители.

Действительно, солома, как и прочие виды побочной продукции растениеводства и животноводства -наиболее дешевое и доступное средство из всех возможных для восполнения органики в почве.

Многолетние исследования и практика доказали высокую эффективность технологии использования соломы на удобрение. Она положительно влияет на свойства почвы, предотвращая ее деградацию. При аэробном процессе разложения соломы, уже в течение 3 месяцев из 1000 г органического вещества образуется 46,7 г гуминовых веществ [93].

По данным [11; 70; 193], запашка 5 т га-1 соломы повышает содержание гумуса на 0,04%, а удвоенная доза - на 0,09%. При этом, выход кормовых единиц составляет 221,4 ц, а при добавлении 50 кг азота - 225,7 ц, превышая на 6,1 и 10,4 ц вариант использования полной дозы минеральных удобрений (N90P120K60). Установлено, что 1 т соломы по действию ее на гумусообразова-ние приравнивается к 3,5 т подстилочного навоза. Удобрение соломой улучшает баланс питательных элементов в почвенном слое. С внесением на 1 га 4.5 т соломы, в почву поступает до 3,0.3,5 т органического вещества, 18.25 кг азота, 6.8 кг фосфора, 32.60 кг калия, многие микроэлементы [115].

Рисунок 1.2 - Структура использования соломы зерновых культур в Англии [158]

Ценность соломы, как органического удобрения в рисовых севооборотах доказана научными экспериментами ВНИИ риса. Сообщается [93], что при внесении 1 т га-1 соломы в почву возвращается 4,5 кг азота, 2,2 кг фосфорной кислоты, 10,2 кг окиси калия, 2,7 кг окиси кальция, 1,1 кг магния, 6,5 кг железа, 18,9 кг кремния и др. элементы. Отмечается улучшение физических свойств почвы, повышение подвижности и доступности для питания растений почвенных запасов фосфора, калия, других элементов, сокращение потерь азота [145; 175].

Заделка в почву соломы положительно влияет на структуру и водный режим почвенного слоя. Разложение соломистых остатков обеспечивает увеличение количества водопрочных агрегатов в пахотном слое на 3.5%, по сравнению с почвой, не имеющей растительных остатков [127]. Улучшение структурного состояния почвы при запашке измельченной соломы, кроме того, снижает объемную массу и связность почв.

Мульчирование соломой склоновых земель давно известно среди приемов борьбы с почвенной эрозией. Так, измельченная солома в почве облегчает проникновение талой воды, что способствует сокращению стока и смыва почвы. Кроме того, рыхлая прослойка из соломы нарушает капиллярную связь между почвенными слоями, содействуя лучшему сохранению почвенной влаги и быстрому оттаиванию почвы [174]. Установлено, что ранней весной на глубине 10 см, температура почвы на 1°С превышает температуру обычной зяби, а плотность сложения на 0,05.0,07 г см-3 ниже плотности последней [87].

Солома зерновых и других культур является не только источником химических элементов и формирователем структурного состояния почвы, но и мощным энергетическим материалом, способствующим расширенному воспроизводству плодородия почвы и повышению урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур. Использование соломы в качестве удобрения уже на следующий год обеспечивает повышение урожайности зерна сои - на 2,9%; ячменя - на 2,4%; пшеницы, в последействии - на 7%. Кроме того, уве-

личивается масса корневой системы и клубеньков (например, для сои - на 11. 25% и 33. 52% - соответственно) [88].

В зависимости от дозы внесения соломы, почвенно-климатических условий, системы удобрений, применяемых средств механизации для измельчения и заделки в почву, прибавка урожая риса составляет от 0,46 до 0,65 т га-1 и более. В среднем, каждая тонна внесенной соломы обеспечивает повышение урожайности риса на 0,1. 0,2 т.

Длительными производственными испытаниями Краснодарского НИИСХ установлено, что при использовании соломы зерновых колосовых культур, повышение урожайности зерна кукурузы в сравнении с контролем (интенсивная технология), составило 5,0.8,3 ц га-1 [115]. Также сообщается [93; 173], что применение соломы способствует повышению содержания белка в горохе на 18,5%, сахара в корнеплодах сахарной свеклы - на 16,5%. Солома без удобрений не оказывает отрицательного влияния на количество жира в семенах подсолнечника, в то время, как внесение с азотом, как и подстилочный навоз, снижает его с 53,4 до 51,7 и 52,2% - соответственно.

Высокая эффективность применения технологии использования соломы на удобрение доказывается, также, улучшением экологической обстановки. Это объясняется исключением из технологии возделывания зерновых культур сжигания стерни с соломой, как важное природоохранное мероприятие. Негативное экологическое влияние выжигания соломы на показатели плодородия почвы трудно переоценить. Известно [115; 172], что солома сгорает на 1 м2 за 30.40 сек. При этом, температура на поверхности почвы может достигать 360°С, а на глубине 5 см - около 50°С. Исследования показали [93], что при сжигании 6 т га-1 соломы на 2й день после уборки теряется 12.12,5% гумуса и 6,1% воды от исходного уровня. При сжигании через 14 дней подсохшей соломы, потери гумуса возрастали до 30,6%, а воды - до 21,6%. Отмечено, также, что при сжигании соломы ухудшаются водно-физические свойства почвы, уменьшается ее биологическая активность. В частности, увеличивается глыбистость почвы, снижается с 66.72 до

52.67% доля агрохимически ценных агрегатов, а водопрочность их снижается с 52.58,5 до 49,4. 52% [115].

Еще один важный аспект в пользу использования соломы в полеводстве заключается в следующем. Внесение соломы в почву предопределяет развитие почвенной фауны, что выражается в повышении активности бактерий, дождевых червей и других организмов, способствующих улучшению агрохимических и физических свойств почвы.

Агрономическая эффективность технологии использования соломы в качестве удобрения характеризуется снижением затрат, связанных с ее уборкой, повышением производительности зерноуборочных комбайнов, освобожденных от измельчителей и копнителей, сокращением числа проходов агрегатов по полю, уменьшением уплотнения почвы, сокращением затрат труда в 4,7.6,3 раза, затрат денежных средств - в 1,7.1,9 раза. Снижаются затраты на выполнение технологических операций и потребление горючего (от 15,8 до 54,0%) [115; 162].

Экономическая эффективность использования соломы в качестве удобрения подтверждается данными, приведенными в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Эффективность использования соломы [92]

Вид использования Влагосбережение Гумусонакопление Физические свойства почвы Санитарное состояние почвы Экологическое воздействие Энергосбережение Экологические затраты, хозяйственные потребности Урожай, %

Копнение, скирдование 0 - - - - - -+ 100

Валкование, копнение, сжигание - - - + - - 0- 85-90

Измельчение, мульчирование, органическое удобрение + + + +- + + ++ 109112

В последнее время, в нашей стране повысился интерес к использованию соломы на удобрение. Комбайновые технологии уборки зерновых культур с измельчением и разбрасыванием соломы по полю хорошо известны. Однако, широкое внедрение таких технологий ограничивается недостаточным техническим оснащением, несовершенством имеющихся средств механизации, высокими энерго- и материалозатратами, отсутствием систематизированных исследований по изучению влияния длительного применения НЧУ, как органического удобрения, на плодородие почвы, урожайность культур, качество продукции и экологию в различных почвенно-климатических зонах.

Следовательно, вопросы, связанные с теоретическим обоснованием перспективных средств механизации, участвующих в производственных процессах в растениеводстве, при использовании соломы в качестве органического удобрения, разработкой новых конструкторских решений, внедрениями инновационных элементов технологий, их качественная и экономическая оценка является актуальными, своевременными и требующими своего решения.

1.2 Комбайновые технологии уборки зерновых культур с измельчением и разбрасыванием незерновой части урожая

Современные требования в части конкурентоспособности производимой продукции, ее экологичности и экономичности производства, формируют условия выполнения производственных процессов в растениеводстве.

Так, технологии уборки урожая должны обеспечивать высокую эффективность, сокращение материальных затрат, создание условий для повышения плодородия почвы и увеличения урожайности возделываемых вновь сельскохозяйственных культур. Этим требованиям отвечают технологии уборки, предусматривающие измельчение и разбрасывание по поверхности поля незерновой части урожая, с целью последующей заделки ее в почву, в качестве органического удобрения и мульчи.

Не случайно, что в рамках восьми основных стратегических направлений существенного энергосбережения при уборке зерновых культур, уборке НЧУ по гибким технологическим схемам отводится особая роль. Разрабатываемым в настоящее время типажом зерноуборочных машин на перспективу до 2020 года, в России прогнозируется иметь 7 классов зерноуборочных комбайнов, пропускной способностью 1.14 кг с-1, оснащенных, в том числе, измельчителями-разбрасывателями НЧУ с шириной разброса до 4.9 м. [57].

Ввиду различных форм применения соломы зерновых колосовых и других культур, разной степени технического оснащения и состава машинно -тракторного парка хозяйств и влияния погодных условий, находят применение 2 основных технологических схемы такой уборки, используемые как при прямом, так и при раздельном комбайнировании [72].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ягельский Михаил Юрьевич, 2018 год

У и -

дисперсия воспроизводимости;

результаты опытных данных;

Бт - табличное значение критерия Фишера.

Табличная величина Б-критерия для 5%-ого уровня значимости выбиралась при числе степеней свободы ^ _ ^ -2 и _ ^, где: N - количество значимых эффектов математической модели.

По найденным математическим моделям строятся поверхности отклика критериев оптимизации у: и у2 для работы установки с каждым вариантом конструктивно-технологических характеристик противореза.

В общем случае, полученные поверхности описываются уравнениями:

У11 _ / (Х1Х2) У21 _ / (х1х2 ) У12 _ /(Х1Х2 ) У22 _ / (х1х2 )

У13 _ /(Х1 х2) У23 _ /(х1х2 ) (3.47-3.52)

где первый и второй индексы при у, определяют критерий оптимизации и соответствующее данному уравнению фиксированное значение фактора х3.

Очевидно, что для данного варианта i установки противореза, оптимальными параметрами работы стендовой установки будут являться значения факторов XI и х2, лежащие на линии пересечения поверхностей отклика, описываемых уравнениями:

УМ _ /(Х1Х2) и У2/ _ /(х1х2 ) (3.50; 3.54)

Однако, учитывая возможные приоритетные требования к качественным и энергетическим характеристикам уборочного процесса в различных условиях, оптимальный режим работы нового измельчителя с одним из вариантов конструктивно-технологических характеристик противореза, может не предоставить вполне ожидаемый результат. В таком случае, наиболее прием-

лемые показатели х1 и х2 для культуры, в целом, будут находится на линии пересечения поверхностей, определяемых уравнениями:

у1шлп = * (х1х2) И у2гтах = * (х1х2) (3.55; 3.56)

Здесь, у1!тш и у2!тах - критерии оптимизации для вариантов установки противорезов, обеспечивающих минимальные затраты энергии на измельчение и максимальные показатели равномерности распределения измельченной массы.

На полученной таким образом искомой линии

У12 = / (х1х2) (3.57)

расположена определяемая минимумом данной функции и ограниченная пределами 28 < х1 < 42 и 90 < х2 < 110 точка оптимального варианта конструктивно-технологических характеристик противореза, проекции на оси х1 и х2 которой, определят соответствующие предпочтительные окружную скорость ротора и угла установки лопасти ножа.

Значения р' для ПФЭ 33 и рассчитанные по формуле (3.45) величины х! приведены в табл. 5 и 6 Приложений.

С целью получения необходимого количества точек теоретического тренда, область варьирования факторов определялась семью зонами.

Проведение многофакторного эксперимента должно позволить определить зависимость потребляемой энергии на процесс измельчения НЧУ и равномерности распределения измельченных частиц, в зависимости от угла установки лопастей ножей и формы лезвия противорезов, учитывая окружную скорость рабочих органов измельчителя-разбрасывателя. Кроме того, полученные эмпирические данные будут использованы для оценки достоверности найденных аналитических зависимостей (2.83, 2.106) в Главе 2.

3.5 Выводы по Главе 3

1. Наряду с известными методами исследований и контрольно-измерительными приборами, в лабораторно-полевых экспериментах исполь-

зовались специально разработанные методики и оригинальные приборы и оборудование: ротационный маятниковый копер, с регулируемым положением бойка; экспериментальный стенд для определения качественных и энергетических характеристик работы измельчителя с новыми рабочими органами, оборудованного горизонтальным транспортером подачи и дисковым тормозным динамометром; устройство для отбора проб измельченной соломы от зерноуборочных комбайнов;

2. предложены методики расчета коэффициента, учитывающего затраты энергии маятника на преодоление сил трения, а также скорости движения транспортерной ленты, осуществляющей подачу материала в камеру измельчения и зависящей от расчетной величины загрузки, длины рабочей ветви транспортера и массы уложенного валка;

3. представлен новый способ секторного отбора контрольных проб измельченной соломы за зерноуборочным комбайном, обеспечивающий повышение точности измерений;

4. исходя из теоретических предпосылок, разработаны новые рабочие органы измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна, отличающиеся углами положения швыряющих лопастей ножей и имеющими форму логарифмической спирали лезвиями противорезов, полюс которой расположен на оси вращения ротора. Изготовлен комплект новых рабочих органов, которыми оснащен экспериментальный зерноуборочный комбайн;

5. предложена оригинальная методика проведения многофакторного эксперимента, на основе показателей равномерности распределения измельченной НЧУ и энергозатрат рабочего процесса, позволяющая оптимизировать конструктивно-режимные параметры новых рабочих органов измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований рабочих органов соломоизмельчителя-разбрасывателя и их анализ

4.1 Результаты лабораторных исследований 4.1.1 Исследование аэродинамических показателей измельченной

соломы

Экспериментом на воздушном сепараторе установлено, что критическая скорость Укр измельченной соломы пшеницы, влажностью 22.24% находится в пределах 0,5.1,4 м с-1; овса ярового, при влажности 19.22% -0,4.1,5 м с-1; стеблей гречихи, влажностью 29.35% - 1,1.4,9 м с-1. Среднеарифметические значения Укр фракций соломистых частиц, размерами до 50, от 50 до 150 и более 150 мм, представлены в табл. 4.1. Как видно, скорость витания измельченных частиц крупных фракций, в 2,3.3,1 раза превышает критическую скорость фракций, длиной до 50 мм. Установлено, что критическая скорость соломистых частиц значительно зависит от их влажности. Так, если при указанных выше уровнях влажности отдельных культур, средние значения Укр соломистых частиц составляли 0,86; 0,91 и 2,82 м с-1, то повышение влажности на 5.7% увеличивало скорость витания до 1,06; 1,26 и 3,34 м с-1 - соответственно.

Таблица 4.1. Числовые статистические характеристики скоростей витания Укр измельченной соломы для различных фракций

Культура Фракция измельченной соломы, мм Среднее арифметическое, УКр, м с-1 Среднеквад-ратическое отклонение, м с-1 Коэффициент вариации, %

Пшеница до 50 0,65 0,04 6,48

озимая 50.150 1,02 0,05 4,86

(ш=22...24%) свыше 150 1,31 0,07 5,16

Овес яровой (ш=19...22%) до 50 50.150 свыше 150 0,58 0,98 1,33 0,04 0,04 0,1 6,22 4,57 7,28

Гречиха (ш=29...35%) до 50 50.150 свыше 150 1,81 3,15 4,35 0,15 0,22 0,29 8,16 7,14 6,59

Как видно из графика на рис. 4.1, прослеживается устойчивый тренд увеличения критической скорости, с повышением массы измельченных частиц. Например, для гречихи, при повышении массы частиц с 0,02 до 0,06 г, скорость восходящего воздушного потока витания соломистых частиц увеличивалась не менее, чем в 1,5 раза. Критическая скорость частиц массой более 0,1 г, равнялась уже 3.4 м с-1, что в 2,7 раза больше Укр для частиц, массой 0,02.0,03 г. Характер зависимости более подчиняется степенной функции.

Коэффициент корреляции г между критической скоростью и массой частиц, полученный для линейного аппроксимирования соотношения, составляет +0,869 - по пшенице; +0,898 - по овсу; +0,903 - по гречихе. Это характеризует степень взаимосвязи между массой и критической скоростью соломистых частиц, как высокую и очень высокую.

Результаты исследований аэродинамических показателей измельченных частиц использованы для расчета дальности отбрасывания соломы, при использовании формулы (2.87).

укр, МС"1

Рисунок 4.1 - Распределение массовых фракций соломистых частиц гречихи по скорости витания в восходящем воздушном потоке и характер корреляции массы частиц и величины их критической скорости

4.1.2 Исследование энергии разрушения стеблей некоторых зерновых и

крупяных культур

Используя описанные в Главе 3 оригинальные технические и методические решения, был проведен ряд экспериментальных исследований. Основной целью последних являлось изучение работы, затрачиваемой на разрушение стеблей различных сельскохозяйственных культур, что необходимо для теоретического обоснования оптимальных технологических режимов работы соломоизмельчителей зерноуборочных комбайнов.

Как видно из табл. 4.2, среднее значение работы, требуемой на разрушение стеблей пшеницы, влажностью 22.24% составило 0,45 Нм. Немногим меньшим данный показатель был для ярового овса, при влажности стеблей 19.22%. Для данной культуры среднее значение энергии разрушения составило 0,41 Нм. Для стеблей гречихи влажностью 29.35%, среднее значение работы, требуемой на разрушение, равнялось 1,13 Нм. При этом, энергия на разрушение увеличивается с повышением яруса растения. Так, если для разрушения стебля нижнего яруса гречихи требовалось 1,235 Нм, то верхний ярус разрушался при затрате энергии в 1,25 раза меньшей (20,1%). Для верхних и нижних участков стеблей пшеницы и овса, различие работы разрушения составило, соответственно, 19,4% и 9,3%.

Очевидно, такая зависимость объясняется более плотной структурой продольных волокон стеблей в нижней части растений и большим диаметром стебля в данной зоне.

Сильное влияние на работу разрушения стеблей оказывала влажность растений. График на рис. 4.2 демонстрирует, что увеличение влажности растений на 10. 15%, относительно уборочной, влечет увеличение затрат энергии разрушения в 1,6.1,8 раза, независимо от культуры и сорта. Дальнейшее увеличение уровня влажности стеблей, характеризуется еще более отчетливым трендом повышения затрат энергии разрушения. Общий характер зависимости работы разрушения стеблей от их влажности подчиняется степенной функции вида y=a 1п^) - Ь.

Таблица 4.2. Энергия разрушения стеблей растений

Культура Работа на разрушение стеблей, Н м, при ярусе растения

Нижний Средний Верхний Среднее по стеблю

т о т о т о т о

Пшеница 0,496 0,233 0,451 0,262 0,400 0,318 0,449 0,271

Гречиха 1,235 0,631 1,161 0,520 0,987 0,425 1,126 0,525

Овес 0,420 0,235 0,421 0,213 0,381 0,223 0,407 0,213

Полученные данные свидетельствуют о различии затрат энергии, необходимой для измельчения растения в пределах его ярусов. Тем не менее, для одной культуры, разность значений работы, потребляемой на разрушение отдельных частей стебля не превышает разности энергии разрушения по разным культурам, в том числе, с близкими характеристиками по строению и состоянию (влажности).

Кроме того, результаты исследований демонстрируют хорошую согласованность описанных в литературе данных о затратах энергии на разрушение стеблей растений злаковых культур и численных значений соответствующих показателей, полученных при использовании разработанного при-

2,5 т

2

к

8 1 5

э 1,5

Л

Л ей н о

1

0,5

0

20

Пшеница

Гречиха

Овес

25 30 35 40

Влажность стеблей, %

45

Рисунок 4.2 - График зависимости работы на разрушение стеблей,

от влажности растений 163

бора. Последнее обстоятельство, наряду с относительно низкой вариабельностью значений экспериментальных данных и близкое к нормальному закону распределение дат (рис. 4.3), подтверждает возможность применения предлагаемого прибора в исследовательских целях.

н о н

£

30 25 20 Ю 10 5 0

2,9

7,3

29,8

15,2 16,2

15,9

8,8

2,2 1,6

|> |> СО ^ч оо оо

оо ю о оо оч

^ч со ю оо, О, ^ч га

О О о о о О ^ч ^ч ^ч

1П оо оо |> ю 4 СО са ак

о, оо о ^ оо

о ^ч со с- оо О, ^ч

<5 <5 <5 <5 <5 <5 1-4 1-4

Интервалы распределения значений работы разрушения,

Нм

Рисунок 4.3 - Гистограмма распределения значений работы разрушения

стеблей соломы

4.2 Влияние конструкционных характеристик режущей пары и режимных параметров измельчителя на качественные и энергетические показатели рабочего процесса (результаты многофакторного эксперимента)

Результаты факторного эксперимента, в целом, подтвердили предположение о значительном влиянии выбранных управляемых факторов на такие показатели измельчителя-разбрасывателя, как потребляемая мощность и неравномерность распределения НЧУ.

Значения экспериментальных данных оценки критериев оптимизации, соответствующие вариантам опыта, представлены в табл. 4.3. Последовательность расчетов, при обработке результатов ПФЭ33 алгоритмом Иейтса, а также табличный алгоритм расчета дисперсии воспроизводимости

5 2( у) приведены в табл. 5, 7 Приложений.

164

Таблица 4.3. Экспериментальные данные факторного эксперимента, по оценке влияния окружной скорости ротора (хД угла установки лопасти ножа (х2) и параметров противореза (х3) на потребляемую мощность измель-

чителя и неравномерность распределения НЧУ

№ п/п Код варианта ранжированного плана Потребная мощность, N кВт Неравномерность распределения НЧУ, %

1 повт. 2 повт. Среднее 1 повт. 2 повт. Среднее

1 122 1,92 1,94 1,93 21,40 24,60 23,00

2 011 1,78 1,66 1,72 39,50 36,90 38,20

3 021 1,77 1,71 1,74 28,70 32,10 30,40

4 220 1,30 1,34 1,32 21,40 18,40 19,90

5 111 1,85 1,89 1,87 41,60 43,80 42,70

6 022 1,85 1,71 1,78 29,60 26,40 28,00

7 112 1,93 1,99 1,96 33,20 35,40 34,30

8 010 1,77 1,69 1,73 50,60 48,20 49,40

9 211 1,45 1,25 1,35 20,80 22,80 21,80

10 202 1,39 1,33 1,36 32,60 37,80 35,20

11 210 1,25 1,41 1,33 20,80 19,40 20,10

12 120 1,86 1,90 1,88 24,10 21,10 22,60

13 110 1,88 1,86 1,87 44,50 47,50 46,00

14 200 1,36 1,26 1,31 49,40 45,00 47,20

15 221 1,28 1,34 1,31 20,90 18,90 19,90

16 020 1,77 1,69 1,73 29,30 26,70 28,00

17 121 1,84 1,88 1,86 22,00 25,40 23,70

18 100 1,85 1,87 1,86 51,80 48,80 50,30

19 101 1,93 1,83 1,88 47,70 48,90 48,30

20 201 1,28 1,32 1,30 33,50 30,10 31,80

21 212 1,26 1,38 1,32 21,00 22,60 21,80

22 222 1,39 1,35 1,37 18,90 20,70 19,80

23 002 1,84 1,74 1,79 48,80 45,40 47,10

24 102 1,99 1,89 1,94 36,80 35,20 36,00

25 000 1,78 1,72 1,75 52,20 48,00 50,10

26 001 1,71 1,75 1,73 46,40 49,20 47,80

27 012 1,77 1,73 1,75 34,90 31,50 33,20

На основании проверки критерием Фишера 0-й гипотезы о равенстве

г\

полученных величин дисперсий S2 и 5 2(у), а также построением полунормального графика (рис. 2 Приложений), была оценена значимость каждого из вычисленных эффектов взаимодействий у=1?((х), исключены менее значимые из них и получены основные математические модели для критериев оптими-

зации потребляемой мощности Ум и неравномерности распределения измельченной НЧУ Ун, в заданных экспериментальных пределах:

Ум = 1.9 - 0.2 х - 0.4 хер + 0.1х3;

Ун = 36.3 -16,7 х - 3.6 х2 - 9.9 х2 + 4.7 хр х - 9,5х3 + 1.8x2 х3 + (4.1; 4.2)

2

^ 2.5x2 Х3 ^ 1.9x2 Х3

Производные от (4.2) уравнения, описывающие зависимость неравномерности распределения НЧУ, от изменяемых факторов х1; х3, при варьировании фактора х2, имеют вид:

Ун(х2 = -1) = 46,2-17,9х1 - 3.6 х2 - 4,8х3 + 1.8x^x3;

Ун(х2 = 0) = 36.3-16,7 x - 3.6x2 - 9,5x3 +1.8хЩ; (4.3-4.5)

У«( х2 = +1) = 26.4 - 12,2х1 - 3.6 х2 - 1,8x3 +1. 8x2 х3

Графическое представление (поверхности отклика) полученных регрессионных моделей (4.1; 4.3-4.5) иллюстрируется графиками на рис. 4.4-4.7 - соответственно.

Уравнение (4.1) демонстрирует, что на процесс измельчения большее влияние оказывает окружная скорость. В то же время, потребляемая мощность устройства, практически не зависят от параметра х2 - угол установки лопасти ножа. Как видно из графика на рис. 4.6, потребляемая энергия на измельчение и разбрасывание соломы, при увеличении окружной скорости Уо измельчающего ротора, вначале увеличивается до некоторого значения, а затем интенсивно снижается. Так, если при Уо=28 м с-1, мощность, необходимая для изучаемого процесса, при использовании стандартной режущей пары, составляет 1,8 кВт, то при скорости Уо=35 м с-1, N=1,97 кВт. При окружной скорости Уо=42 м с-1 для тех же условий, потребляемая измельчителем мощность снижается до 1,38 кВт, что почти в 1,5 раза меньше максимального значения N при использовании стандартных ножей.

К, кВт

198

31,5

Окружная скорость ножа, м с

-1

28

12А

'Криволинейные

Серийные, с углом 20 Серийные

Параметры противорезов

Рисунок 4.4 - Зависимость мощности, потребной на процесс измельчения и разбрасывания, от окружной скорости ротора и типа противорезов

Окружная скорость ножа, м с-1 Угол установки лопасти нож^

град

Рисунок 4.5 - Влияние окружной скорости ротора и угла установки лопасти ножа на неравномерность Н разбрасывания измельченной соломы, при использовании серийных противорезов

167

н, %

бон

Окружная скорость ножа, м с-1 Угол установки лопасти нож^

град

Рисунок 4.6 - Влияние окружной скорости ротора и угла установки лопасти ножа на неравномерность Н разбрасывания измельченной соломы, при использовании серийных противорезов, с установкой, на угол 20°, по ходу вращения ротора

Рисунок 4.7 - Влияние окружной скорости ротора и угла установки лопасти ножа на неравномерность Н разбрасывания измельченной соломы, при использовании формы логарифмической спирали с полюсом, расположенным на оси вращения ротора для вогнутой режущей кромки противореза

Применение противорезов, выполненных вогнутыми, в форме логарифмической спирали с полюсом на оси вращения ротора, снижает затраты энергии измельчителя, при его работе на 7.9%, относительно мощности, потребляемой на процесс, при использовании стандартной режущей пары.

Максимальная потребляемая мощность установки, при измельчении и разбрасывании соломы, равнялась 1,997 кВт, что соответствовало окружной скорости ротора 32,7 м с-1, при использовании стандартной режущей пары. Минимальные затраты энергии изучаемого процесса зафиксированы при использовании противорезов, выполненных вогнутыми, в форме логарифмической спирали с полюсом на оси вращения ротора и максимальной окружной скорости ротора измельчителя.

Графики на рис. 4.5-4.7 иллюстрируют значительное влияние на ширину разбрасывания измельченной соломы факторов х2 - угол установки лопасти ножа и х1 - окружная скорость ротора измельчителя.

Неравномерность разбрасывания измельченной соломы варьировалась в эксперименте от 64,4% до 7,6%. Большая неравномерность распределения соответствовала меньшей окружной скорости ротора, при использовании лопастных ножей, с углом установки швыряющей лопасти 90°, относительно плоскости ножа. Изменение окружной скорости ротора от 28 до 48 м с-1 снижает неравномерность разбрасывания соломы на 20,9.30,8% или в 2.3,7 раза. Увеличение (уменьшение) угла установки лопасти ножа на 20°, относительно исходной (90°) влечет снижение неравномерности в 1,2.2,3 раза. Отмечалось, что снижение окружной скорости до 32,7 м с-1, при использовании лопастных ножей, с углом установки лопасти 90°, относительно плоскости ножа, способствует скапливанию большей части измельченной массы в центральной части зоны распределения (рис. 4.8).

Установлено, что тип противореза также является значимым фактором, влияющим на процесс распределения соломы по ширине зоны разбрасывания. Так, при использовании серийных противорезов, неравномерность

разбрасывания соломы составляла 17,2%, при окружной скорости 42 м с-1.

169

Рисунок 4.8 - Характер разбрасывания соломы, при использовании стандартных лопастных ножей (а) и ножей, с установкой швыряющей лопасти, на угол 90±20° (б)

При той же скорости ножей, применение противорезов с криволинейной режущей кромкой снижало неравномерность разбрасывания до 7,6% или в 2,3 раза. Это можно объяснить тем, что использование формы логарифмической спирали с полюсом, расположенным на оси вращения ротора для вогнутой режущей кромки противореза позволяет снизить падение окружной скорости ротора, при подаче соломы в рабочую камеру устройства. Последнее обусловлено меньшими затратами энергии на процесс измельчения НЧУ, что как следствие, положительно влияет на устойчивость вращения ротора измельчителя.

Уравнения (4.1, 4.2) позволяют определить оптимальные технологические режимы работы экспериментальной установки, на участке 28<х:<42 и 90<х1<110 (табл. 4.4).

Так, при использовании противорезов, с вогнутой режущей кромкой, в форме логарифмической спирали, с полюсом, расположенным на оси вращения ротора, при окружной скорости У=42 м с-1 и угле установки лопасти ножа а=110 (70)°, мощность, необходимая для работы экспериментальной установки составит 1,256 кВт. При этом величина неравномерности разбрасывания измельченной соломы не превысит 8%, что в 2,5 раза меньше допустимых агротехнологическими требованиями 20%.

Таблица 4.4. Оптимальные параметры работы экспериментальной

установки

Тип противореза Режимы работы измельчителя-разбрасывателя (абсциссы экстремума функций у=Дхь Х2)) Потребная мощность N установки, кВт/неравномерность Н разбрасывания соломы, %

Окружная скорость ротора измельчителя, V, м С-1 (Х1) Угол установки лопасти ножа, а, град (Х2)

Противорез, с вогнутой режущей кромкой, в форме логарифмической спирали, с полюсом, расположенным на оси вращения ротора 42 110 (70) 1,256/7,6

В ходе экспериментальных исследований оценена адекватность полученных в Главе 2 уравнений для расчета ширины разбрасывания измельченной соломы, в зависимости от угла установки швырковой лопасти ножа. С этой целью в ходе лабораторных исследований на опытной установке устанавливали лопастные ножи, швырковые лопасти которых имели углы установки от 10° до 90°. При этом, режим работы установки выбирали соответствующим параметрам используемой теоретической зависимости.

Данные, полученные в ходе опытов, представлены в табл. 4.5.

Как видно из таблицы и графика на рис. 4.9, экспериментальные значения ширины В зоны разбрасывания, имеют устойчивый тренд, сопоставимый с функцией (2.88). Установлено что среднее отклонение экспериментальных значений от теоретических не превышает 8%.

Таким образом экспериментальными исследованиями установлено, что использование предложенных в работе лопастных ножей, швыряющие лопасти которых имеют угол, отличный от 90° и противорезов, с вогнутой режущей кромкой, в форме логарифмической спирали, с полюсом, расположенным на оси вращения ротора, обеспечивают снижение потребной мощно-

171

сти на 7.9% и неравномерности распределения соломы в 1,2.2,3 раза. Несмотря на значительные отличия в энергетических и качественных показателях работы экспериментальной установки, при меняющихся влияющих условиях, наилучшие показатели соответствуют максимальным значениям окружной скорости. Этим подтверждаются сделанные ранее выводы о необходимости увеличения частоты вращения ротора измельчителей-разбрасывателей зерноуборочных комбайнов.

Таблица 4.5. Экспериментальные показатели ширины разбрасывания

соломы, в зависимости от угла установки швырковой лопасти ножа

Угол установки лопасти, а° Ширина разбрасывания, В, м б, м

10 4,3 0,87

20 4,7 0,69

30 3,9 0,79

40 4,5 0,89

50 3,3 0,56

60 3,1 0,67

70 2,9 0,66

80 1,9 0,52

90 1,5 0,35

В. 6

5

4 3 2 1 О

О 10 20 И 40 50 ® 70 ВО 90

а, град

Рисунок 4.9 - Сравнение теоретических и экспериментальных значений ширины разбрасывания измельченной соломы, в зависимости от угла установки швырковой лопасти ножа

172

4.3 Результаты полевых испытаний зерноуборочного комбайна, оборудованного экспериментальным измельчителем-разбрасывателем

НЧУ

4.3.1 Секторное исследование распределения размеров и однородности

частиц измельченной соломы

Сравнительные полевые испытания проводились для зерноуборочных комбайнов, оборудованных стандартным и экспериментальным измельчителями-разбрасывателями.

В результате исследований установлено [119], что как фракционный состав, так и влажность измельченной соломы неодинаковы по ширине зоны разбрасывания. Влажность измельченных частиц в различных секторах по ширине распределения подчиняется определенной закономерности (рис. 4.10). Независимо от культуры, солома с меньшим уровнем влажности и большей степенью измельчения стеблей находилась в периферийных секторах области распределения.

Так, если влажность измельченной соломы пшеницы на крайних участках равнялась 12,9. 13,6%, то в центральной части зоны распределения

- 15,2.16,0%. Влажность соломы гречихи в центральной части была выше влажности крайних секторах разбрасывания в 1,3.1,4 раза. В целом, по культурам, уровень влажности измельченной соломы в центральной части на 4,0-4,5% выше, чем влажность частиц в периферийных секторах распределения (табл. 4.6). Характер

22,5 -

20,5

18,5 -

16,5 -

14,5 -

12,5 1

-♦— Пшеница -■— Гречиха

2 3 4 5 6 7

Рисунок 4.10 - График распределения значений влажности измельченной соломы по ширине зоны распределения измельчителем комбайна [119]

зависимости влажности от сектора распределения более отчетлив при низкой влажности хлебной массы.

Таблица 4.6. Влажность измельченной соломы по ширине разбрасывания

Культура Секторы отбора проб

1 2 3 4 5

Гречиха 16,8 18,6 21,3 18,8 17,1

Пшеница 12,9 15,2 16,0 15,5 13,6

Результаты многочисленных полевых исследований демонстрируют, что в целом, средняя длина частиц измельченной соломы, при одних и тех же режимах работы стандартного соломоизмельчителя, меньше при уборке колосовых культур и больше - при уборке крупностебельной гречихи (табл. 4.7).

Таблица 4.7. Статистические характеристики размерных фракций измельченной соломы по секторам области разбрасывания, мм

Культура Сектор отбора проб Средняя

1 2 3 4 5

Гречиха 87,8 95,1 92,5 85,3 85,8 89,3

Пшеница 78,9 85,7 90,0 88,8 87,2 86,1

Как и для уровней влажности, фракционный состав и процентное соотношение частиц измельченной массы неодинаковы и во многом определяются сектором полосы распределения. В периферийных областях, как правило, длина измельченных частиц меньше, чем в центральном секторе распределения (табл. 4.8, 4.9). Так, если в среднем, по всем опытам, содержание частиц длиной до 120 мм в крайних областях составило от 80 до 83%, в центральной части их содержание не превышало 71% (рис. 4.11). Вид уравнения регрессии, построенного по точкам, характеризующим процентное содержание размерных фракций частиц с допустимыми значениями длины резки в соответствующих секторах отбора проб, также позволяет утверждать о наличии данной закономерности. По нашему мнению, секторная зависимость

фракционного состава распределяемых частиц объясняется различием их аэродинамических свойств и воздействием бокового ветра. Последний фактор оказывал существенное влияние на характер распределения измельченных частиц (рис. 4.12).

Таблица 4.8. Процентное соотношение и интервалы распределения размерных фракций измельченных частиц соломы гречихи, по секторам ши-

рины разбрасывания

Сектор отбора проб Длина резки, мм

до 50 51.. .100 101.150 151.200 свыше 200 Средняя

1 5,0 66,7 20,0 8,3 0 87,8

2 1,7 58,3 31,7 6,7 1,7 95,1

3 11,7 48,3 31,7 8,3 0 92,5

4 15,0 58,3 20,0 1,7 5,0 85,3

5 3,3 70,0 23,3 1,7 1,7 85,8

В целом, по комбайну 7,3 60,3 25,3 5,3 1,7 89,3

Таблица 4.9. Процентное соотношение и интервалы распределения размерных фракций измельченных частиц соломы зерновых (пшеница яро-

вая/овес яровой) по секторам ширины разбрасывания

Сектор отбора проб Длина резки, мм

До 50 51-120 более 120 Средняя, мм

1 16 52 32 111,3

32 57 2 63,1

2 11 60 29 109,2

15 67 16 90,2

3 2 61 37 126,8

17 48 35 110,2

4 12 51 37 108,8

19 65 18 96,3

5 17 42 41 104,5

26 72 11 90,4

В целом, по комбайну 11,6 53,2 35,2 112,1

37,2 53,6 9,2 90,0

% 85,0 п

80,0

75,0 -

70,0

у = 1,8103х2 - 9,9652х + 89,527

1

2 3 4 5

Секторы отбора проб

Рисунок 4.11 - Сводный график зависимости процентного содержания размерных фракций измельченной соломы (до 120 мм), от сектора области

ее распределения

Расчет коэффициента корреляции (г = ± 0,6) между массивами данных по размерным фракциям и уровню влажности показал, что сравниваемые группы признаков имеют частичный (средний) уровень взаимосвязи. Последнее объясняется тем, что процесс испарения свободной влаги интенсивнее протекает для материала с более деформированной (расщепленной) структурой и поверхностями, имеющими малую общую площадь.

Считаем, что найденная закономерность распределения влажности является косвенным подтверждением преобладания в периферийных секторах количества частиц мелкой фракции соломы, тогда как в центральной части содержится больше крупных частиц.

а б

• иЧЛнмШМШВМШ _

¡Нива,»,,------ 'ч/в V'.« чС»Л ¿¿.Л. ъ♦г.'^л лГ• '. 'V-'■•г'ь.: ■ ^^^ ЧЦ 1 ""■^■Ц»*

Рисунок 4.12 - Характер распределения измельченной НЧУ разбрасывателем комбайна: при отсутствии бокового ветра (а); при боковом сносе (б)

На рис. 4.13 представлен сводный график, иллюстрирующий изменение длины и значений влажности измельченной соломы по ширине зоны разбрасывания соломоизмельчителем зерноуборочного комбайна. Здесь же приведены математические модели, полученные с целью сплайн-интерполяции эмпирических кривых. Корректность полученных уравнений подтверждена сравнением фактического значения ^критерия Стьюдента с его стандартной

2 78

(табличной) величиной г ^ ^^ (п -1) = г о = . Так как расчетная величи-

001 от '

на ^критерия не превышала 0,161 (2,78 > 0,161), сравниваемые выборки отличаются незначительно, что подтверждает адекватность моделей.

Таким образом установлено, что при работе зерноуборочного комбайна, оборудованного стандартным измельчителем, общее содержание фракций

т го I-и О а

-О I I О X

го ©

100 -[ 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Т 18

у = 2,8х2 - 14,2х + 94,74

у = -2,85х2 + 14,43х + 5,08

-- 16

-- 14

а

0

1

X

го со

-- 12

10

Зона распределения

Рисунок 4.13 - График зависимости содержания фракций и влажности измельченной соломы от сектора области распределения: 1 - фракция, длиной до 120 мм; 2 - фракция, длиной свыше 120 мм; влажность измельченной

измельченной соломы размером до 120 мм составляет 75,7%, что почти на 10% меньше допустимого агротехническими требованиями.

Размеры частиц в центральной части полосы и ее периферийных секторах отличаются по модальному классу и характеру распределения вариационных рядов. Неравномерность показателей размерных фракций соломистых частиц в пределах ширины зоны разбрасывания может достигать 20% и более (рис. 4.14). Учитывая близкий к нормальному закону распределения характер разброса частиц, легко предположить перенасыщение центральной части зоны разбрасывания преимущественно крупной фракцией измельченной соломы. Именно такая картина, в большинстве случаев, наблюдается в реальных полевых условиях. Это не способствует повышению интенсивности разложения соломы в почве, затрудняет последующую работу почвообрабатывающих и посевных машин, нарушает однородность почвенных условий и выравненность биологического состояния растений при созревании.

Работа зерноуборочного комбайна, оборудованного экспериментальным измельчителем-разбрасывателем, продемонстрировала хорошее качество измельчения и распределения соломистых частиц по ширине захвата жатки.

Рисунок 4.14 - Распределение фракционного спектра средних размеров соломистых частиц, в пределах ширины зоны разбрасывания

Так, при средней длине резки, в целом, на 10 мм меньшей, чем при работе стандартного измельчителя, вариабельность процентного содержания частиц одного размерного диапазона в различных секторах отбора заметно снизилась (табл. 4.10). Длина частиц, размером 51. 120 мм составляет от 60 до 72%, что на 6,2.18,6% больше, чем процентное содержание соответствующей размерной фракции, обеспечиваемой базовым измельчителем. Содержание частиц, длиной более 120 мм - на 0,6.23,8% меньше, по сравнению с подобным показателем качества работы базового аналога.

Таблица 4.10. Процентное соотношение и интервалы распределения размерных фракций измельченных частиц соломы зерновых (пшеница яровая/овес яровой) по секторам ширины разбрасывания для зерноуборочного

комбайна с экспериментальным измельчителем

Сектор отбора проб Длина резки, мм

До 50 51-120 более 120 Средняя, мм

1 18 72 9 108,1

34 55 4 72,4

2 15 81 12 98,6

32 64 12 96,4

3 11 78 11 102,2

25 48 11 98,7

4 19 68 13 94,3

28 65 9 101,2

5 21 60 12 91,5

39 67 7 97,4

В целом, по комбайну 16,8 71,8 11,4 98,9

31,6 59,8 8,6 93,2

Нашими исследованиями установлено, что при уборке различных по сортам и состоянию культур, как правило, вариабельность среднего значения размерных фракций соломистых частиц в пределах ширины зоны распределения может находиться в пределах 4.10%. Следовательно, целесообразно установить ограничение неравномерность фракционного спектра среднего размера соломистых частиц по ширине прохода жатки - не более 10%.

В ходе полевых испытаний оценивалась и предложенная в данной работе методика секторного отбора проб измельченной соломы за комбайном и способ вычисления статистических показателей по процентному содержанию размерных фракций частиц.

Как видно из табл. 4.11, общепринятая методика оценки величины содержания частиц измельченной соломы, с размерной фракцией до 120 мм, распределяемых соломоизмельчителем-разбрасывателем зерноуборочного комбайна, дает значение 83,6%. При этом, средняя арифметическая размеров всех измельченных частиц, составляет 90,0 мм. Оценка данных показателей средним арифметическим взвешенным, при использовании в качестве весов фактические массы материала выборок, показывает величины, равные 81,5% и 93,0 мм - соответственно. Этим подтверждается, что в зависимости от внешних действующих условий, существует наличие погрешности результативных оценок по известной методике до 5...7% и более, по сравнению с предлагаемым методом определения фракционного состава распределяемых соломистых частиц.

Таблица 4.11. Оценка качества работы соломоизмельчителя зерноуборочного комбайна по содержанию размерных фракций частиц соломы ярово-

го овса

Сектор отбора проб Содержание фракций измельченной соломы, %

до 120 мм свыше 120 мм Масса измельченных частиц в сборнике, %, к общей массе соломы, в пределах ширины учетного сектора

1 98 2 18,2

2 84 16 22

3 65 35 28

4 82 18 18,6

5 89 11 13,2

Среднее, по комбайну (среднеарифм.) 83,6 16,4 100

Среднее, по комбайну (средневзвешенная) 81,5 18,5

Следовательно, с целью исключения погрешностей при оценке качества работы соломоизмельчителей-разбрасывателей, упрощения конструкции технических средств обеспечения испытаний и улучшения условий их проведения, можно рекомендовать к использованию предлагаемую в настоящей работе методику оценки содержания размерных фракций, а также устройство для отбора проб измельченной соломы от зерноуборочных комбайнов.

4.3.2 Равномерность распределения измельченной НЧУ по ширине

разбрасывания

В ходе экспериментов установлено, что ширина зоны разбрасывания измельченной НЧУ может отличаться, в зависимости от состояния массы и типа комбайна. Так, на уборке пшеницы влажностью 14,2% ширина разбрасывания измельченной соломы составляет для комбайна Лего8 550 Ростсель-маш в базовом исполнении соломоизмельчителя - 7,2 м; для комбайна Лего8 550 на уборке гречихи влажностью 22,0% - 6,8 м, при тех же исполнении и регулировках.

Отмечено, что при работе зерноуборочного комбайна, оборудованного стандартным измельчителем, неравномерность распределения измельченной соломы по ширине захвата довольно высока (табл. 4.12). Если при уборке пшеницы неравномерность распределения измельченных частиц составила 23,6%, то при уборке гречихи она была на уровне 28,9%. С уменьшением ширины зоны разбрасывания и снижении влажности хлебной массы неравномерность распределения измельченного материала снижается.

Таблица 4.12. Оценка неравномерности распределения измельченной соломы по ширине захвата комбайна Лего8 550 Ростсельмаш

Культура Масса соломистых частиц, кг при секторе отбора проб Неравномерность, %

1 2 3 4 5

Гречиха 1,2 2,7 2,7 2,1 2 28,9

Пшеница 1,3 1,5 2,4 1,8 1,8 23,6

Установлено, что независимо от регулировки направляющих пластин измельчителя-разбрасывателя и внешних действующих условий, большая часть массы осаждается в центральной части полосы распределения (рис. 4.15). В среднем, масса измельченной соломы в центральной части зоны разбрасывания в 1,3. 2,2 раза больше, чем в каждой из периферийных секторов.

Неравномерность распределения измельченной соломы по поверхности поля, при работе зерноуборочных комбайнов, оборудованных базовыми измельчителями-разбрасывателями, во всех случаях была больше допустимой и составила 34,6% - для пшеницы яровой; 23,6% - для пшеницы озимой; 28,9% - для гречихи и 25,3% - для овса ярового (табл. 4.13).

Зерноуборочный комбайн, оборудованный экспериментальным измельчителем, обеспечивал неравномерность разбрасывания в пределах 14,2.22,1%, в зависимости от культуры и условий уборки. Как и при использовании базового измельчителя, большая неравномерность разбрасыва-

<и о о

« (и

в

ю о

И

о ч о

о «

о к к

(и

ч

(и

ч

(и о с

£ о

30,0

25,0

20,0

15,0

10,0

12 3 4 Секторы отбора проб Пшеница яровая ........■....... Гречиха

Овес яровой

— ■ — Пшеница озимая

Рисунок 4.15 - Характер распределения измельченной соломы в пределах ширины

зоны разбрасывания

ния характеризовала уборку более влажной гречихи. Однако, даже несмотря на некоторое увеличение влажности (25,8% против 23,4%), относительно уборки комбайном, оборудованным стандартным измельчителем, неравномерность распределения соломы экспериментальным измельчителем-разбрасывателем была меньше на 6,8%.

Таблица 4.13. Оценка неравномерности распределения измельченной

соломы по ширине захвата сравниваемыми комбайнами

Марка комбайна Тип измельчителя Культура Неравномерность,% ±А, %

Acros 550 Ростсельмаш Базовый Гречиха 28,9 2,6

Пшеница озимая 23,6 1,9

John Deere W650 Пшеница яровая 34,6 1,4

Овес яровой 25,3 1,3

Acros 550 Ростсельмаш Экспериментальный Гречиха 22,1 0,7

Пшеница озимая 18,6 1,1

Овес яровой 14,2 0,9

В среднем, по культурам, увеличение качества распределения измельченной соломы по полю, при использовании предлагаемого измельчителя-разбрасывателя, отмечено на 9,8%, относительно базового аналога.

Учитывая полученные результаты, считаем возможным сформулировать требования к качеству выполнения технологической операции по разбрасыванию соломы по поверхности поля - не более 20%.

4.3.3 Результаты оценки степени торцевого расщепления стеблей

методом влагонасыщения