РАЗРАБОТКА ресурсосберегающих ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ И ОБМОЛОТА ПОЧАТКОВ СЕМЕНной

На правах рукописи

ПЕТУНИНА Ирина Александровна

РАЗРАБОТКА ресурсосберегающих ПРОЦЕССОВ

ОЧИСТКИ И ОБМОЛОТА ПОЧАТКОВ СЕМЕНной КУКУРУЗЫ

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Краснодар – 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (КубГАУ)

Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Маслов Геннадий Георгиевич

Официальные оппоненты: академик РАСХН,

доктор технических наук, профессор

Липкович Эдуард Иосифович

доктор технических наук, профессор

Жалнин Эдуард Викторович

доктор технических наук, профессор

Плешаков Вадим Николаевич

Ведущая организация - ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ГНУ ВНИПТиМЭСХ), г. Зерноград.

Защита состоится «18» февраля 2009 года в 1000 на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета электрификации сельского хозяйства, ауд. № 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат размещен на сайте http://www.kubagro.ru

Автореферат разослан … ………….. 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор С.В. Оськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. К настоящему времени производство кукурузы занимает практически первое место в мире среди зерновых, превышая валовые сборы зерна пшеницы и риса. Общая потребность России в семенах кукурузы составляет 80100 тыс. тонн (из них на зерно 1012 тыс. т) и отечественными производителями не обеспечивается из-за сложившегося низкого уровня технического оснащения.

В технологиях послеуборочной обработки кукурузы ключевыми являются процессы очистки и обмолота початков. На сегодняшний день не существует машины, обеспечивающей съем оберток с початков кукурузы с полным соблюдением исходных требований. А в Российской Федерации отсутствует производство очистителей початков и не предложены технические решения для обработки малых партий. Для различных моделей молотилок семенной кукурузы характерны: необходимость заполнения всего объема молотильной камеры; повторный обмолот початков; низкая производительность; частичная разборка для очистки рабочей камеры. Поэтому современные молотильные аппараты также не обеспечивают получение семенного материала, отвечающего в полной мере исходным требованиям.

Обобщенный анализ состояния вопроса совершенствования послеуборочной обработки початков семенной кукурузы позволил сформулировать научную проблему, которая состоит в разработке принципиально новых ресурсосберегающих технических решений для процессов очистки и обмолота початков кукурузы, максимально учитывающих их особенности и спе­цифику съема оберток и выделения зерновок в процессе непрерывного контакта с рабочими органами, опирающихся на более глубокое исследование некоторых физико-механических свойств початков.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы и тематического плана НИР Министерства сельского хозяйства. Исследования включены в планы НИР Кубанского государственного аграрного университета: на 19911995 гг. по теме 29.6 ГР01910049840, на 19962000 гг. по теме 8 ГР 01960009007, на 20012005 гг. по теме 11 ГР 01200113467 и на 20062010 гг. по теме ГР 01.2006 06833.

Цель исследований – обоснование параметров и ресурсосберегающих режимов работы трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков семенной кукурузы.

Объекты исследований – процессы очистки и обмолота початков кукурузы; рабочие органы, макетные и экспериментальные образцы разрабатываемых технических средств.

Предмет исследований – выявление закономерностей влияния конструктивных, кинематических и динамических параметров на технологические процессы очистки от оберток и обмолота початков кукурузы.

Методика исследований. Методологической основой решения сформулированной проблемы является вариант триадной системы, в которой продукт и машина рассматриваются на одном уровне и при одновременном взаимном влиянии друг на друга.

При решении вопросов взаимодействия рабочих органов как початкоочистителя, так и молотилки с початками приняты основные положения клас­сической теории деформации тел в местах контакта.

Теоретическое решение вопросов процессов очистки и обмолота початков выполнено с использованием основных положений теории упругости и специальных разделов теории дифференциального и интегрального исчисления, графо-аналитических методов.

Физико-механические свойства початков кукурузы исследовались с использованием общих, а также частных теоретических и прикладных методик.

При выполнении экспериментальных работ применен метод математического планирования многофакторного эксперимента. Аппроксимация и обработка экспериментальных данных выполнены с использованием пакета прикладных компьютерных программ.

Оценку технического уровня разрабатываемых аппаратов выполняли путем сопоставления системы параметров с промышленными аналогами по обобщенным технико-экономическим показателям, а также при помощи интегральных показателей.

Научная новизна результатов исследования заключается в уточнении теоретико-экспериментальных и методологических аспектов процессов очистки и обмолота початков кукурузы вальцовыми аппаратами и установлении аналитических зависимостей:

деформации слоя оберток и усилий разрыва и отделения оберток при съеме пакетом с початка от действия распределенных сил и параметров початков и рабочих органов и величин их деформаций;

деформации слоя зерновок и усилий разрушения связи зерновок со стержнем початка от действия распределенных сил;

углов затягивания в трехвальцовом аппарате неочищенного початка и початка со снятыми обертками от геометрических параметров и деформаций початка и рабочих органов;

величины зазора в трехвальцовых аппаратах для очистки и обмолота початков кукурузы от величины деформации пакета оберток и слоя зерновок;

пути проката оберток, снятых единым пакетом с початка, от геометрических параметров и деформаций початка и рабочих органов;

числа выделенных зерновок от морфологических характеристик початка кукурузы;

коэффициентов восстановления зерновок при непрямом ударе от скорости и угла соударения.

Новизна технических решений очистки початков подтверждается патентами № 2111644 и № 2112349, обмолота початков патентом № 2319336 и линии по обмолоту семенного материала кукурузы патентом № 2171023.

Практическую ценность работы представляют: методика классифи-кационного выбора для исследований показателей физико-механических свойств початков кукурузы; статистические данные по физико-механическим свойствам початков кукурузы; методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы, основанные на результатах теоретико-экспериментальных исследований; конструктивно-компоновочные схемы очистительного и молотильного блоков; исходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмолота початков кукурузы; комплект программ и алгоритмов по расчету параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы; учебные пособия.

Реализация результатов диссертационных исследований. Результаты исследований приняты и используются Ассоциацией производителей семян кукурузы (Краснодарский край); Департаментом сельского хозяйства и продовольствия администрации Краснодарского края технические решения включены в «Системы ведения агропромышленного производства Краснодарского края на 2008-2010 гг.»; ГНУ «Кабардино-Балкарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» Россельхозакадемии рекомендованы к внедрению усовершенствованные рабочие органы и технология очистки и обмолота початков кукурузы на предприятиях Кабардино-Балкарской республики; результаты исследований внедрены ГНУ КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко.

Учебные пособия (гриф МСХ РФ) и монографии используются в учебном процессе агроинженерных и экономических факультетов ряда вузов России.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены в период с 1998 по 2008 год и получили официальное одобрение на научных форумах: научно-технических и учебно-методических конференциях КубГАУ, международных конференциях «Образование. Экономика. Информатика.» (Астрахань, 2003 г.), «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 2004 г.), «Математика. Экономика. Образование» (Ростов-на-Дону, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития высшего образования» (Сочи, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы на современном этапе развития общества» (Пятигорск, 2003 г.).

Теоретические исследования результатов диссертационных исследований удостоены следующих наград: бронзовая медаль «Гордость науки Кубани» и диплом степени Краснодар, 2005 г., диплом лауреата конкурса фонда развития отечественного образования Сочи, 2007 г., почетная грамота Департамента образования и науки Краснодарского края Краснодар, 2005 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, который включает 313 использованных источников, в том числе 71 иностранных и приложений. Диссертация изложена на 329 страницах основного текста, содержит 124 рисунка и 11 таблиц.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 47 работах, в том числе 7 в журналах «Техника в сельском хозяйстве» и «Механизация и электрификация сельского хозяйства». По результатам исследований получено 4 патента, 2 свидетельства на программное обеспечение (свидетельство № 2008612672 и № 2008612673), вошедшие во Всероссийский фонд алгоритмов и программ.

На защиту выносятся основные положения диссертации:

аналитическое обоснование технических средств для очистки и обмолота початков кукурузы;

методика выбора показателей физико-механических свойств початков кукурузы и результаты их теоретико-экспериментальных исследований;

результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию геометрических, кинематических и технологических параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;

методики инженерного расчета параметров трехвальцовых аппаратов для очистки и обмолота початков кукурузы;

исходные требования на трехвальцовые аппараты для очистки и обмолота початков кукурузы;

предложения по совершенствованию технических средств очистки и обмолота початков кукурузы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность проблемы, научная новизна, изложены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены значение кукурузы для народного хозяйства, состояние изученности анатомических, морфологических и физико-меха-нических свойств початков кукурузы. Предложены классификации очистительных и молотильных аппаратов и указаны возможные направления дальнейшего совершенствования технологических процессов очистки и обмолота початков кукурузы.

Физико-механические свойства кукурузы изучали М.Ф. Бурмистрова, А.И. Буянов, И.Т. Осьмак, А.Ф. Соколов, В.С. Кравченко, Н.Н. Шатилов, В.С. Курасов, К.В. Ульрих и другие ученые. Установлено, что, несмотря на многообразие и большой объем накопленных данных по физико-механичес-ким свойствам, существует целый ряд нерассмотренных вопросов. К настоящему времени такими учеными как В.П. Горячкин, И.О. Василенко, Н.И. Гуров, В.В. Деревенко, М.А. Пустыгин, Э.И. Липкович, Г.Г. Маслов, Э.В. Жалнин, Н.И. Кленин, Г.И. Креймерман, М.Г. Голик, В.С. Кравченко, В.С. Курасов, Ю.И. Мозговой, Г.А. Никитина, А.И. Пьянков, А.И. Гокоев, Т.К. Тогонбаев, Н.Н. Ульрих, К.В. Шатилов, В.В. Войцехович проведены значительные теоретические и экспериментальные исследования рабочих органов машин для убор­ки и послеуборочной обработки початков кукурузы, в том числе семенной.

Анализ предшествующих работ позволил выявить нерешенные проблемы в механизации очистки и обмолота початков кукурузы: недостаточную изученность анатомо-морфологических особенностей початков кукурузы; необходимость полного теоретического обоснования процессов очистки и обмолота початков кукурузы, аналитически обосновывающего новые закономерности взаимодействия системы «растительный объект рабочие органы» и учитывающее анизотропность объектов обработки; отсутствие технических решений по конструкциям очистителей и молотилок, работающих с продукцией повышенной по сравнению с исходными требованиями влажностью и сформулированы научная и рабочая гипотезы исследований.

Научная гипотеза по очистке початков переход от конструкций, в которых съем оберток с початков кукурузы носит слу­чайный характер, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен определенному закону, возможен, если обеспечено раздельное взаимное перемещение всего пакета оберток с измененным характером облегания поверхности початка относительно поверхности зерновок.

Научная гипотеза по обмолоту початков переход от конструкций, в которых обмолот початков кукурузы связан с неорганизованным воздействием на зерновки, к конструкциям, в которых такой процесс подчинен определенному закону, возможен, если обеспечено перемещение слоя зерновок относительно стержня.

Рабочая гипотеза интенсификация процессов очистки и обмолота початков кукурузы, обеспечивающих ресурсосбережение, достигается: минимизацией габаритов аппаратов; исключением неорганизованного перемещения початков; обработкой початков во внутреннем пространстве, образованном рабочими органами, при непрерывном взаимном контакте с рабочими органами; уменьшением времени обработки початков.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

обосновать классификационный подход к выбору физико-механи-ческих свойств початков кукурузы и выполнить теоретико-эксперименталь-ные исследования;

теоретически исследовать процесс очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате и обосновать направления его интенсификации и ресурсосбережения;

выполнить экспериментальные исследования для подтверждения результатов теоретического обоснования процесса очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате;

теоретически исследовать процесс обмолота початков кукурузы в трех-вальцовом аппарате и обосновать направления его интенсификации и ресурсосбережения;

выполнить экспериментальные исследования для подтверждения результатов теоретического обоснования процесса обмолота початков кукурузы в трехвальцовом аппарате;

разработать методики инженерного расчета параметров трехвальцовых очистителя и молотилки початков семенной кукурузы;

разработать проект исходных требований на трехвальцовые очиститель и молотилку початков семенной кукурузы;

провести технико-экономическую оценку эффективности трехвальцовых очистителя и молотилки початков семенной кукурузы.

Во второй главе приведены программа и методика определения физико-механических свойств гибридов кукурузы, получаемых на Кубани и наиболее распространенных на территории РФ в последние годы.

Для исследования показателей физико-механических свойств предложен метод, позволяющий выбирать эти показатели по классификационной таблице в зависимости от зоны початка и характера воздействия на него рабочими органами или другими зонами початка.

Дана математическая модель формы початка кукурузы (1), позволяющая оценивать степень заполнения рабочего пространства очистительных и молотильных аппаратов обрабатываемыми объектами

где b малая полуось контура початка, м;

a большая полуось контура початка, м;

d максимальный диаметр початка, м;

x текущая координата, м.

Определены предельные значения размерных характеристик початков кукурузы, которые позволяют выбирать оптимальные габариты рабочих органов: длина вальцов не менее 0,35 м (по общей и опорной длине поверхности початка: от 1,54101 до 2,24101 м; от 1,1101 до 1,43101 м) при условии вращения початка параллельно рабочим органам (по изменению объема занимаемого початком в процессе неупорядоченного перемещения: соотношение объемов вращения початка вокруг продольной и поперечной осей 8:1, именно такое неупорядоченное перемещение приводит к сбоям в работе початкоочистительных аппаратов и молотилок); максимальное расстояние между касательными к поверхностям рабочих органов не более 6,0102 м (по размерам диаметров по опорной поверхности: от 3,9102 до 6,3102 м); диаметр вальцов не менее 2,8102 м (по размерам диаметров початков).

Определены предельные значения физико-механических свойств початков кукурузы, которые позволяют выбирать оптимальные параметры процессов их очистки и обмолота: моменты инерции создаваемые рабочими органами не менее 9,0102 кгм2 (по моментам инерции початка: от 1,92102 до 8,93102 кгм2); коэффициенты трения поверхностей рабочих органов по поверхностям початков не менее 0,55 (по коэффициентам трения различных пар поверхностей початков и материалов: трения покоя початков в обертках по стальной поверхности составили 0,43, по резине 0,91, початков по початкам 0,53; трения движения по стальной поверхности 0,34, по резине 0,86, по початку 0,47); усилие давления, создающее деформацию оберток до 1,6 мПа (по деформации слоя оберток: от 0,234 до 1,638 МПа); усилие, необходимое для разрыва пакета оберток не менее 770 Н (по усилию разрыва, отнесенному к единице длины опорной поверхности: от 100 до 767 Н/м); усилие, необходимое для отрыва пакета оберток от початка не менее 45 Н (по усилиям отрыва листьев оберток при растяжении и кручении: от 17,1 до 191,0 Н); профиль очистительных вальцов (по структуре листьев обертки: шаг жилкования от 7 до 12 мкм); кинематические параметры (по коэффициентам восстановления зерновок кукурузы от 0,75 до 0,154 при прямом и косом ударах о поверхности тел на скоростях от 0,80 до 3,14 м/с).

В третьей главе рассмотрены теоретические предпосылки, позволяющие обосновать управляемость процессов и изменение некоторых физико-механических характеристик неочищенного початка кукурузы, с целью обеспечения выполнения исходных требований к початкоочистительным аппаратам.

В соответствии с поставленной задачей была разработана схема установки для очистки початков (рис. 1).