Исследование процесса отделения головок льна эластичными гребенками

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОТДЕЛЕНИЯ ГОЛОВОК ЛЬНА ЭЛАСТИЧНЫМИ ГРЕБЕНКАМИ

Эффективность работы льноводческой отрасли определяют в первую очередь количеством и качеством получаемой в конечном счете волокнистой продукции и высокосортного семенного материала [1]. Вероятность получения качественной льнопродукции зависит от соблюдения агротехнических требований в процессе выращивания льна и его уборки. Особенно важно это на последнем этапе, когда необходимо снизить механические повреждения льнопродукции средствами механизированной уборки [7].

Удовлетворить эти требования возможно, если рабочие органы льноуборочных машин по своей конструкции и методу исполнения технологических операций не наносят значительных механических повреждений поверхности стеблей, а продукты очеса (льноворох) содержат в основном неразрушившиеся семенные коробочки с небольшим содержанием путанины, а также обрывков стеблей [4, 9].

Анализ источников

Основной источник механических повреждений стеблей льна и разрушения семенных коробочек — действие очесывающего аппарата в процессе механического отделения семясодержащей части от стеблей.

В настоящее время в льноуборочных машинах используют метод очеса с помощью стальных гребней, совершающих круговое поступательное движение. Зубья гребня после внедрения в ленту льна перемещаются вдоль стеблей, разрушая установившиеся механические связи в их массе, особенно в головчатой (семясодержащей) части [3].

В процессе разделения стеблей зубьями гребня происходит механическое взаимодействие гребня с лентой льна и отрыв семенных коробочек, что приводит к повреждению луба на поверхности стебля и его разрыву, в результате чего образуется значительное количество путанины в продукте очеса с неочесанными семенными коробочками [2, 3].

Методы исследования

В результате априорного анализа литературных источников и проведенных теоретических исследований были выделены существенные факторы проводимого многофакторного эксперимента. К ним относились: частота вращения барабана (n, с^-1), скорость подачи ленты льна (V, м/с), угол установки гребенки относительно плоскости зажимного транспортера (б,є), зазор между гребенкой и подбарабаньем (Д, мм), смещение ленты льна относительно обмолачивающего устройства (д, мм) и влажность льна (о, %) [3].

В результате проведения поисковых и отсеивающих экспериментов были определены наиболее значимые факторы и их интервалы варьирования [3]. Основным оптимизирующим фактором для изучения процесса отделения головок льна эластичными гребенками была принята степень обмолота — Е, % [6, 8]. Задача проводимого эксперимента заключалась в определении величин выбранных факторов так, чтобы они обеспечивали максимальную степень выделения семян при соблюдении агротехнических требований.

Основная часть

В своих экспериментах при движении к оптимуму результирующих факторов использовали шаговый метод, согласно которому для критерия Е было получено уравнение регрессии, которое далее использовалось нами для построение двумерных сечений поверхности отклика [3]:

. (1).

Чаще всего для описания области оптимума прибегают к каноническому преобразованию математической модели. После канонического преобразования и определения вида поверхности отклика начинается ее анализ, который удобно проводить с помощью двумерных сечений [5].

Двумерное сечение поверхности отклика — характеризующий показатель степени обмолота в зависимости от скорости подачи ленты льна (x₁) и частоты вращения барабана (x₆). Для получения этого сечения подставляем значение угла установки гребенки относительно плоскости зажимного транспортера x₃=0 в уравнение (1). В результате имеем:

. (2).

Определяем координаты центра поверхности дифференцированием уравнения (2) и решением системы уравнений:

(3).

; ,.

где , — координаты центра поверхности для факторов x₁ и x₆ при x₃=0.

Выполним каноническое преобразование уравнения (1), для чего решим характеристическое уравнение:

(4).

где В₁, В₂, В₃ — коэффициенты регрессии в канонической форме; b_i — коэффициент регрессии i-го фактора.

Для нахождения коэффициентов канонической формы составим и решим характеристическое уравнение поверхности второго порядка [5], решение которого производилось с помощью компьютерной программы Mathcad:

. (5).

В результате решения корнями (собственными числами) данного характеристического уравнения (5) получим: B₁₁=0,075; B₁₂=-0,077, а само уравнение в канонической форме примет вид:

(6).

где Y — значение критерия оптимизации.

Аналогичным образом строим двумерное сечение поверхности отклика в зависимости от скорости подачи ленты льна (x₁) и угла установки гребенки относительно плоскости зажимного транспортера (x₃). Для получения этого сечения подставляем значение x₆=0 в уравнение (1) и получим уравнение (7), при этом строим двумерное сечение поверхности отклика в зависимости от частоты вращения барабана (x₆) и угла установки гребенки относительно плоскости зажимного транспортера (x₃). Для получения этого сечения подставляем значение x₁=0 в уравнение (1) и получим уравнение (8):

; (7).

. (8).

Определяем координаты центра поверхности дифференцированием уравнений (7) и (8) с решением системы:

(9).

; ,.

где , — координаты центра поверхности для факторов x₁ и x₃ при x₆=0.

(10).

; ,.

где , — координаты центра поверхности для факторов x₃ и x₆ при x₁=0.

Проводим каноническое преобразование уравнения (1), для чего решим характеристические уравнения [5]:

. (11).

. (12).

В нашем случае:

. (13).

. (14).

Собственными числами (корнями) данных характеристических уравнений (13) и (14) будут: В₂₁=0,078; В₂₂=-0,049 и B₃₁=-0,041; B₃₂=-0,076 соответственно, при этом уравнения в канонической форме запишутся:

. (15).

. (16).

Подставляя различные значения показателя степени обмолота ленты льна в уравнение (6), (15) и (16), получим уравнения соответствующих контурных кривых — эллипсов (линий равного значения степени обмолота) — при x₁=0, в остальных же двух случаях (при x₃=0 и x₆=0) — тип поверхности минимакса, так как коэффициенты регрессии канонической формы имеют разные знаки. Результаты расчета представлены на рисунках 1−3.

Рис. 1 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующей показатель степени обмолота в зависимости от факторов x₃ и x₆ (угла установки гребенки и частоты вращения барабана) при нулевом уровне фактора х₁ (скорости подачи ленты льна)

Рис. 2 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующей показатель степени обмолота в зависимости от факторов x₁ и x₆ (скорости подачи ленты льна и частоты вращения барабана) при нулевом уровне фактора х₃ (угла установки гребенки)

Рис. 3 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующей показатель степени обмолота в зависимости от факторов x₁ и x₃ (скорости подачи ленты льна и угла установки гребенки) при нулевом уровне фактора х₆ (частоты вращения барабана)

Анализируя рисунки 1−3, видим, что максимальные значения показателя степени обмолота Е в рассматриваемых сечениях поверхности отклика при прочих факторах (х₁; х₃ и х₆), последовательно взятых на нулевом уровне, равны 98,115%; 98,328% и 98,307% соответственно. На основании построенных двумерных сечений можно сделать вывод, что оптимальные значения рассматриваемых факторов могут находиться в пределах: скорость подачи ленты льна V=1,55−1,6 м/с, частота вращения барабана n=5,28−5,43 с^-1, угол установки гребенки относительно плоскости зажимного транспортера б=33,6−36,8є при средней влажности 17%.

Заключение

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

• 1. В ходе исследований рабочего процесса отделения головок льна получена математическая модель, связывающая степень обмолота с его конструктивно-технологическими параметрами (скоростью подачи ленты, частотой вращения барабана и углом установки эластичной гребенки), и построены двумерные сечения поверхности отклика.
• 2. Экспериментальные исследования процесса отделения головок льна эластичными гребенками подтвердили адекватность полученной математической модели.

• 1. Казакевич, П. П. Льноводство и переработка Беларуси: проблемы развития / П. П. Казакевич // Белорусское сельское хозяйство. 2010. № 7. С. 4−11.
• 2. Кругленя, В. Е. Обоснование параметров бильного аппарата для усовершенствования процесса обмолота ленты льна / В. Е. Кругленя, М. В. Левкин // Энергосберегающие технологии и технические средства для их обеспечения в сельскохозяйственном производстве: материалы Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 25−26 авг. 2010 г. / РУП «Науч.-практ. центр НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства»; редкол.: П. П. Казакевич [и др.]. Минск, 2010. С. 131−134.
• 3. Кругленя, В. Е. Результаты экспериментальных исследований обмолачивающего устройства с эластичными гребенками / В. Е. Кругленя, С. В. Курзенков, М. В. Левкин, В. А. Левчук // Вестник БГСХА. 2011. № 4. С. 171−175.
• 4. Левкин, М. В. Использование барабанно-бильного аппарата при уборке льна / М. В. Левкин // Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: материалы междунар. науч.-техн. конф. молод. ученых, Могилев, 17−18 ноября 2011 г. / М-во образования и науки Рос. Федерации, Белорус.-Рос. ун-т; редкол.: И. С. Сазонов [и др.]. Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2011. С. 219.
• 5. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. Л.: Колос, 1980. 168 с.
• 6. Очесывающее устройство: пат.7068 Респ. Беларусь, МПК, А 01 °F 11/00 / В. Е. Кругленя, М. В. Левкин, С. П. Кокиц, В. И. Коцуба; заявитель УО БГСХА. № u 20 100 161; заявл. 18.02.2010; опубл.02.12.2010 // Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. 2011. № 1 (78). С. 162.
• 7. Родионов, Л. В. Энергетические затраты на очес стеблей льна / Л. В. Родионов, Ю. М. Дунаев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1994. № 12. С. 17−19.
• 8. Устройство для отделения семенных коробочек от стеблей льна: пат. 7224 Респ. Беларусь, МПК А01 °F 11/00 / В. Е. Кругленя, М. В. Левкин, В. И. Коцуба, С. Н. Крепочин, В. А. Левчук; заявитель УО БГСХА. № u 20 100 607; заявл. 06.07.10; опубл. 02.02.11 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. 2011. № 2 (79). С. 154.
• 9. Черников, В. Г. Очесывающие аппараты льноуборочных машин (теория, конструкция, расчет): Монография / В. Г. Черников, С. Г. Порфирьев, Р. А. Ростовцев; под ред. В. Г. Черникова. М.: Издательство ВИМ, 2004. 240 с.