CC BY
5
УДК 631.361.42
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ СТЕБЛЕЙ ЛЬНА В ЗОНЕ ОБМОЛОТА С. В. КУРЗЕНКОВ, В. А. ЛЕВЧУК, М. В. ЦАЙЦ
УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», г. Горки, Республика Беларусь, 213407, e-mail: baa_bgd@tut.by
(Поступила в редакцию 14.01.2022)
От уровня совершенства процесса отделения семенной части от стеблей льна-долгунца зависит величина урожая, размер потерь, качество льнопродукции, трудоемкость и энергоемкость сушки и обработки льновороха.
В целях повышения качества отделения семенной части от стеблей в линии первичной переработки в УО БГСХА разработано обмолачивающее устройство, сочетающее комбинированное очесывающее-плющильное воздействие эластичного рабочего органа, при взаимодействии с верхушечной частью ленты стеблей льна находящейся в зоне обмолота. Для изучения характера взаимодействия рабочего органа с обрабатываемым материалом необходимо учитывать параметры его слоя в зоне обмолота.
В статье предложена методика, позволяющая определять параметры слоя стеблей льна, находящегося в зоне воздействия обмолачивающего устройства с эластичны рабочим органом модернизированной линии первичной переработки льна. Установлена связь параметров слоя стеблей льна находящегося в зажимном транспортере обмолачивающего устройства с агробиологическими и морфологическими их характеристиками. Приведен пример реализации методики в математическом пакете MathCad, позволяющий моделировать различные ситуации состояния слоя материала в зоне обмолота в зависимости от количества стеблей на единицу длины ленты, их конусности, диаметра комлевой части, а также длины участка стебля льна, подверженного воздействию эластичного рабочего органа.
Аналитические зависимости, рассмотренные в данной статье, войдут в основу методики расчета предлагаемого эластичного рабочего органа и моделирования его работы.
Ключевые слова: лен, обмолачивающее устройство, коробочки льна, лента стеблей льна, зона обмолота, объем материала, конусность стебля.
From the level of perfection of the process of separating the seed part from the stalks offiber flax, the size of the crop, the amount of losses, the quality offlax products, the labor intensity and energy consumption of drying and processing flax heaps depend.
In order to improve the quality of separating the seed part from the stems in the primary processing line, a threshing device has been developed at Belarusian State Agricultural Academy, which combines the combined stripping and flattening effect of the elastic working body, when interacting with the top part of the flax stem tape located in the threshing zone. To study the nature of the interaction of the working body with the processed material, it is necessary to take into account the parameters of its layer in the threshing zone.
The article proposes a technique that allows you to determine the parameters of the layer offlax stalks located in the zone of influence of a threshing device with an elastic working body of a modernized flax primary processing line. The relationship between the parameters of the layer offlax stalks located in the clamping conveyor of the threshing device and their agrobiological and morphological characteristics has been established. An example of the implementation of the technique in the MathCad mathematical package is given, which allows modeling various situations of the state of the material layer in the threshing zone, depending on the number of stems per unit of tape length, their taper, the diameter of the butt, as well as the length of the section of the flax stem subjected to influence of the elastic working body.
The analytical dependencies considered in this article will form the basis of the method for calculating the proposed elastic working body and modeling its operation.
Key words: flax, threshing device, flax bolls, flax stems strip, threshing area, material volume, stem taper.
Введение
Основополагающим технологическим процессом получения семян является процесс отделения семенной части урожая льна-долгунца от стеблей. От уровня его совершенства зависит величина урожая, размер потерь, качество льнопродукции, трудоемкость и энергоемкость сушки и обработки льновороха [1].
По заводской технологии уборки и первичной переработки льна-долгунца обмолот (очес) коробочек со стеблей льна осуществляется в линиях первичной переработки льна Van Dommele или Depoortere [2, 3, 4].
В целях повышения качества отделения семенной части от стеблей в линии первичной переработки в УО БГСХА разработано обмолачивающее устройство сочетающее комбинированное очесываю-щее-плющильное воздействие эластичного рабочего органа (бича) при взаимодействии с верхушечной частью ленты льна находящейся в рабочем (молотильном) зазоре (между сепарирующей решеткой и эластичным зубчатым бичом) [5, 6, 7, 8].
С целью изучения характера взаимодействия рабочего органа с обрабатываемым материалом необходимо определить параметры слоя стеблей льна в зоне обмолота.
Основная часть
В процессе отделения семян от стеблей льна разработанным устройством, лента льна движется транспортером в зоне обмолота в зажатом в комлевой части стеблей состоянии. В нижней части зоны
обмолота жестко закреплена сепарирующая решетка (дека), а в верхней части расположен кривошипный механизм, обеспечивающий движение эластичного рабочего органа (бича) по некоторой криволинейной траектории [4-8]. Движение бича производится поперек транспортируемой ленты льна по направлению от зажимного транспортера. Размер рабочей зоны взаимодействия бича со стеблями льна по их поверхности зависит от ширины эластичного рабочего органа, конструктивных параметров его привода, геометрии и жесткости деки.
Лента льна при обмолоте удерживается зажимным транспортером на участке Ьзт (рис. 1, а) на расстоянии Ькс от корней. На участке Ьст происходит воздействие рабочего органа (бича) при обмолоте, а между участками Ьзт и Ьст образуется участок Ьмз «мертвая зона». Участок ленты льна Ьст содержит в себе семенные коробочки которые необходимо отделить от стеблей или разрушить обмолачивающим устройством. Для эффективной работы обмолачивающего устройства участок Ьст должен быть больше зоны расположения семенных коробочек в ленте стеблей льна.
Движущийся в зажимном транспортере слой стеблей неоднороден. Согласно агробиологическим и морфологическим характеристикам льна-долгунца, стебли у его комлевой части в 2-4,5 раза толще, чем у верхушечной его части. В связи с этим лента льна имеет конусность по длине стеблей, сходящуюся к верхушечной части. При этом толщина слоя стеблей Нк в точке начала взаимодействия бича с лентой льнаМ\ больше, чем толщина ленты льна в ее верхушечной части Нв (рис. 1).
х
а) б)
Рис. 1. Схема к обоснованию параметров слоя стеблей льна в зоне обмолота: а - воздействие рабочих органов на стебли льна-долгунца при обмолоте; б - фрагмент рабочей зоны материала, взаимодействующий с бичом; Ькс - комлевая часть стебля; Ьзт - участок стебля в зажимном транспортере; Ьмз - участок стебля льна между участками Ьзт и Ьст («мертвая зона»); Ьст - участок стебля подверженный воздействию рабочего органа (бича) при обмолоте
Выделим на ленте стеблей участок, который будет находиться под воздействием эластичного бича шириной Ъб. При этом будем предполагать, что зажимной транспортер движется с постоянной скоростью (Ут = и й), а бич совершает свое воздействие на стебли с частотой Пб и периодом взаимодействия Тб (время взаимодействия с лентой льна).
Определим площадь и объем материала, которые будут находиться под периодическим воздействием эластичного рабочего органа. Для этого рассмотрим слой стеблей шириной равной Ъб, длиной, равной Ьст (расстояние от точки зажима стеблей до их верхушечной части), толщиной у комлевой части Нк, а у верхушечной части - Нв, с привязкой к системе координат Оху2 (рис. 1).
Тогда искомая площадь будет представлять собой площадь прямоугольника М\М2МзМ4, а объем будет соответствовать объему фигуры ОМ2Мз'М4'ММ2М3М4, где 0(0;0;0); М\(0;0; Нк); М2(Ьст;0; Нв); Мз(Ьст; Ъб; Нв);М4(0; Ъб; Нк); М2'(ЬСТ;0;0);Мз'(Ьст; Ъб;0);М4'(0; Ъб;0).
Площадь прямоугольника М\ М2Мз найдем по формуле:
МХМА{ 0;6б;0)
=ък
м,мл
М,М7(Ь — 0;0 — 0;/г -к )
1 2 V ст ' 'в к '
Л2 )2
у ст V в к '
мхм2
-К-44т + (К - К )2.
Таким образом, площадь зоны материала, находящегося под периодическим воздействием эластичного рабочего органа можно определить по формуле:
Ьб VЬт + (К - К )2 .
(1)
Получим модель этой зоны, т. е. опишем плоскость ММ2М3М4 уравнением. Для этого воспользуемся уравнением плоскости, проходящей через три заданные точки М1(хм1 ;ущ ;2Ц); М2(хм2 ;ум2 ;гм2);
М4(хм4;ум4^м4):
Х Хту
'М1
Хм2 — ХМ1
М. ХМ,
У - Ум, Ум 2 - Ум,
г - г,.
- г
М1
Хм4 Хм, ум4 Ум, гм4
= 0 .
(2)
В нашем случае, когдаМ1(0;0; Ик); М2(£ст;0; Ив); М4(0; Ьб; Ик) уравнение (2) перепишется в виде:
Х У г - К
ьст о К - К о Ьб о
= о.
(3)
Отдельно вычислим определитель левой части уравнения (3), разложив его по первой строке
Х У г - К
ьст о Ив - \ 0 Ьб о
о К - К Ь К - К + (г - К )■ Ьо
Х ■ вк - У ■ ст вк ст
Ь б о о о о Ьб
= Х■(о - Ьб■(К - К)) + (г - Кк)■(Ьст ■ Ьб - о ) = -Ьб■(К - К )■Х +
+^ ■ Ьб ■( г - К ) = ЬбК - КХ + - Ьбг - К)
(4)
Тогда математическая модель плоскости взаимодействия верхнего слоя ленты стеблей с бичом описывается уравнением:
Ьб ■( К - К )■ Х + Ьст ■ Ьб ■( г - Кк ) = о . Разделим обе части уравнения (5) на величину Ьб , тогда оно примет вид:
(К - К )■ Х + Ь ■( г - К ) = о .
\в к / ст \ к/
(5)
(6)
Продемонстрируем пример расчета параметров слоя льна в математическом пакете МаШСа^ Предположим, что длина участка стеблей подверженного воздействию рабочего органа ¿от = 0,45 м, диаметр комлевой части стебля льна а?кст = 0,002 м, среднее статистическое количество стеблей в слое примем «ст = 25 шт, а ширина эластичного рабочего органа Ьб = 0,4 м.
Согласно принятым параметрам, толщина слоя стеблей в комлевой части составит К = ист ■ ^кст = о,о5 м. Конусность стебля льна определим по зависимости полученной М. М. Ковалевым [9] к = о, 66 ■ ^ксг + о,ооо2 = о,оо152 . С учетом конусности и длины стеблей льна, подверженных воздействию рабочего органа, величина диаметра верхушечной части стебля составит
dвcт = dкcт — к ■ Ьст = 0,00132 м. Толщина слоя стеблей в верхушечной части определим как к = п ■ d = 0,0329м.
в ст вст '
Площадь зоны материала, находящегося под периодическим воздействием эластичного рабочего органа, согласно (1), составит = Ьб ■ + (к — кК)2 = 0,18013 м2 или ^ ^ТТ+к2 ■ 4т ■ Ьб = 0,18 м2.
Вариант оформления исходных данных и расчетной части в математическом пакете MathCad показан на рис. 2.
Мс^Ьсай - [Методика расчета параметров слоя стеблей в зоне о бмолота ред]
И Файл Правка Вид Добавить Формат Инструменты Символика Окно Справка
№ 0 = | & 9 П
Normal v Arial v 10 v В I и щ: III lililí
LCT:=0.45
dE(,T := 0.002
длина техническом части стебля, м диаметр комлевой части 1 стебля, м := 25 среднее статистическое количество стеблей в слое, шт Ь6 := 0.4 ширина эластичного рабочего органа, м
1^:= пст (Зкст = 0.05 толщина слоя стеблей в комлевой части, м
расчет конусности стебля льна согласно к := 0.б6 йКСТ + 0.0002 = 0.00152 нсследованиям Ковалева М.М.
^ст:= ^т " к1-ст = 0 00132 диаметр верхушечной части 1 стебля, м
:= Г1СТ <3ЕСТ = 0.0329 толщина слоя стеблей в верхушечной части, м
Л
Sps
■I
+ ' W4 = 01S013
площадь верхней поверхности слоя стеблей, находящегося в зоне обмолота, кв. м
Л
уравнение плоскости, характеризующей поверхность сформированного слоя
х у х- кк ]_ст 0 кв - кк =0 I, 0 Ъб кк - кк;
кк-Ьст + кв-х- кк-х- 1лт-2 = 0 уравнение этой же плоскости, записанное в общем виде
VL-ct+V*- Vх
вид слоя стеблей в поперечной проекции
onecí.045-zí» о.оэ-0.015"
0.1
0.2
0.3
0.4
Рис. 2. Исходные данные, расчетная часть и графическое представление поперечного сечения слоя стеблей льна в зоне обмолота реализованная в математическом пакете MathCad
Определим объем рабочей зоны материала, который будет взаимодействовать с эластичным рабочим органом. Известно [10], что
V = Ц z ( х; y )dxdy,
D
(7)
где z(x; у) - функция, определяющая поверхность, ограничивающую тело искомого объема сверху; О - замкнутая область, в которую проецируется объемное тело на плоскость хОу.
В рассматриваемом случае тело ОМ2М3М4'М1М2М3М4 ограничивается сверху плоскостью ММ2М3М4, которая описывается уравнением (6) и проецируется на плоскость хОу в прямоугольник ОМ2'Мз'М4'. Поэтому чтобы реализовать формулу (7) из формулы (6) выразим переменную г:
Ьст (г - Ик )=(Ив - Ик )■ Х ; г
ти
Ьст
I
(К -И)■
-К
• ( х; у ) = К—— ■ Х + К.
Ь к V ^ / Ь
Ьст Ьи
Тогда под воздействием эластичного рабочего органа будет находится объем стеблей:
^ ■ Г;г-К х2
(8)
У
I
■ X + К
^ = [ У ]|
- + К ■ X
= Ь
Ь ■( И - И )
ст \ в к /
■ Ь
Ь 2
ст
Ь ■ ь ■( И - И )
б ст \ в к /
(9)
Продемонстрируем пример расчета объема слоя стеблей льна, находящегося в зоне обмолота, согласно принятым параметрам в математическом пакете МаШСа^
Объем материала, находящегося под периодическим воздействием эластичного рабочего органа,
Ь ■ ьст ■(- - К)
согласно (9) составит Урз =---= о,оо746 м3.
Вариант оформления расчетной части в математическом пакете MathCad показан на рис. 3.
Рис. 3. Расчетная часть и графическое представление объема слоя стеблей в зоне обмолота реализованная в математическом пакете MathCad
Результаты модели (9) позволяют определить объем слоя стеблей в зоне обмолота с учетом ширины эластичного рабочего органа при изменяющихся параметрах слоя стеблей льна, таких как участок стебля льна Ьст, величины слоя стеблей льна в верхушечной Нв и комлевой Н частях ленты стеблей льна.
Заключение
Получены аналитические зависимости, позволяющие определять параметры слоя стеблей льна (площадь зоны материала, находящегося под периодическим воздействием эластичного рабочего органа и объем слоя стеблей), находящегося в зоне обмолота разработанного в УО БГСХА обмолачивающего устройства с эластичны рабочим органом в линии первичной переработки льна. Установлено, что параметры слоя определяются количеством стеблей на единицу длины ленты, их конусностью и диаметром комлевой части, а также длиной участка стебля льна, подверженного воздействию эластичного рабочего органа при обмолоте.
Аналитические зависимости, рассмотренные в данной статье, войдут в основу методики расчета предлагаемого эластичного рабочего органа и моделирования его работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Основы расчета рабочих органов машин и оборудования для производства семян льна: монография / В. А. Шаршунов [и др.]. - Горки: БГСХА, 2016. - 156 с.
2. Шаршунов, В. А. Анализ механизированных технологий уборки и первичной переработки льна / В. А. Шаршунов, А. С. Алексеенко, М. В. Цайц, В. А. Левчук. - Вестник БГСХА. - 2017. - № 2. - С. 137-141.
3. Шаршунов, В. А. Анализ устройств для отделения семян льна от стеблей / В. А. Шаршунов, А. С. Алексеенко, М. В. Цайц, В. А. Левчук. - Вестник БГСХА. - 2017. - №4. - С. 174-180.
4. Шаршунов, В. А. Исследование обмолачивающего устройства в линии первичной переработки льна / В. А. Шаршунов, В. Е. Кругленя, А. С. Алексеенко, В. А. Левчук, М. В. Цайц, 2015 // Весщ НАН Беларусг Сер. аграр. навук. - № 3. -С. 112-117.
5. Устройство для отделения семенных коробочек от стеблей льна: пат. 7224 Респ. Беларусь, МПК А 0№ 11/00 / В. Е. Кругленя, М. В. Лёвкин, В. И. Коцуба, С. Н. Крепочин, В. А. Левчук; заявитель Белорус. гос. с.-х. акад. -№ и 20100607; заявл. 06.07.10; опубл. 02.02.11 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2011. - № 2 - С. 154.
6. Устройство для выделения семян из ленты льна: пат. 8183 Респ. Беларусь, МПК А0Ш 45/06 / В. Е. Кругленя, М. В. Лёвкин, В. А. Левчук; заявитель УО «БГСХА». - № и 20110743; заявл. 29.09.11; опубл. 30.04.12 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2012. - №2 - С. 197.
7. Обмолачивающее устройство ленты льна: пат. 8332 Респ. Беларусь, МПК А0№ 11/02 / В. Е. Кругленя, М. В. Лёвкин, В. А. Левчук; заявитель Белорус. гос. с.-х. акад. - № и 20110745; заявл. 29.09.11; опубл. 30.06.12 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2012. - №3. - С. 196.
8. Устройство для обмолота коробочек льна: пат. 8494 Респ. Беларусь, МПК А0№ 11/02 / В. Е. Кругленя, М. В. Лёвкин, В. А. Левчук; заявитель Белорус. гос. с.-х. акад. - № и 20110746; заявл. 29.09.11; опубл. 04.08.12 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2012. - №4. - С. 177.
9. Ковалев, М. М. Технологии и машины для комбинированной уборки льна долгунца: Дис. ... док. техн. наук. -Тверь. 2010. - 615 с.
10. Воднев, В. Т. Основные математические формулы: Справочник / В. Т. Воднев, Н. Ф. Наумович, А. Ф. Наумович; ред. Ю. С. Богданов. - 3-е изд., перераб. и доп. - Минск: Вышэйшая школа, 1995. - 380 с.
