Improving the efficiency of the grain harvesters straw grinder due to additional effects on the processed mass

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Снизить используемое количество удобрений поможет применение такого материала, как солома, она позволяет уменьшить затраты на покупку и использование минеральных удобрений, а также улучшить гумусовый состав почвы [1, 2, 3].

Составной частью многих технологических процессов, выполняемых сельскохозяйственными машинами, является деформация сжатия [4]. Сжатие стеблей, веток, побегов и других материалов может быть в поперечном и продольном направлениях. Сжатие в продольном направлении может привести к потере устойчивости (продольному изгибу), и большинство растительных материалов вследствие своей небольшой жёсткости его не выдерживает.

Сжатие в поперечном направлении при отсутствии ограничений и их наличии исследовано на стеблях льна, пшеницы, ржи и кенафа, а при действии сил по взаимно перпендикулярным направлениям — на моделях (его сравнивали со сжатием при отсутствии ограничений). Сжатие стебля силами, действующими по всему периметру, не исследовано вообще. У одних растительных материалов (сено, солома) поперечное сжатие не приводит к отрицательным результатам, а у других (стебли льна, семена, плоды, ягоды) может привести к нежелательным (меньший выход длинного льноволокна, порча семян, плодов, ягод и т.д.). Следует отметить, что под термином «сжатие» стебля подразумевается сжатие его трубки (то есть её плющение), во время которого происходит изгиб материала стебля в продольном и поперечном направлениях [5, 6].

МЕТОДЫ

Поперечное сжатие может быть, как на небольших, так и на больших, в сравнении с длиной стебля, участках. В процессе переработки растений возможны также случаи сжатия ранее нарезанных частей стеблей. Ниже рассмотрены закономерности сжатия отдельных участков стеблей, причем сначала проанализировано сжатие при отсутствии ограничений по обеим сторонам от линии действия сил. Для исследования поперечного сжатия разработаны специальные приборы. С этой целью можно использовать также экстензометр со специальным приспособлением [7].

При дальнейшем увеличении нагрузки деформация растёт еще быстрее, при этом начинается расплющивание стебля.

При поперечном сжатии стебля с ограничениями по обеим сторонам от линии действия сил сопротивление сжатию возрастает. Характер деформации растения при таком нагружении зависит от сорта и состояния культуры. Влияют на этот процесс и такие факторы, как давление, площадь деформатора, толщина стенки трубки и др.

Процесс деформации свежеубранных стеблей состоит из ряда фаз. Сначала под действием силы сжатия окружность стебля принимает форму, близкую к прямоугольной, затем происходят деформация боковых стенок трубки вследствие потери ими устойчивости и сплющивание стебля [8].

Процесс деформации сухих стеблей также состоит из ряда фаз. Сначала на стеблях появляются трещины, разрывы и изгибы, а затем происходит полное сплющивание стеблей с образованием значительного числа трещин и разрывов.

Исследованием процесса сжатия сухих стеблей при наличии ограничений сбоку установлена закономерность изменения линейной деформации в зависимости от давления, которая в значительной степени аналогична закономерности, для свежеубранных стеблей, но имеются и некоторые отличия, обусловленные хрупкостью сухих стеблей [9, 10].

При сжатии стебля происходит смыкание внутренних стенок трубок и деформации их мягких частей, а также древесины стебля, что приводит к увеличению сопротивления сжатию.

Исследования проводили на собранной установке (рис. 1), для эксперимента использовалась солома ячменя.

 

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 — корпус установки; 2 — опора установки; 3 — ёмкость для укладки соломы; 4 — прижимная плита; 5 — направляющая; 6 — штырь направления; 7 — стержень для груза; 8 — груз.

Fig. 1. Layout of the laboratory installation: 1, installation body; 2, installation support; 3, straw packing container; 4, pressure plate; 5, guide rail; 6, direction pin; 7, rod for load; 8, load.

 

Опыт предусматривал изучение уплотнения соломы при воздействии определённых усилий.

Повторное сжатие стеблей может иметь место при одном и том же ходе поршня или при разных его ходах, одной и той же силе, или разных силах. Кроме этого, сжиматься повторно могут одни и те же стебли, или эти же стебли, но с добавлением к ним новой порции стеблей перед каждым повторным сжатием.

Наиболее простой случай — сжатие одной группы стеблей одной и той же силой без добавления новой порции.

Экспериментальное исследование сжатия стеблей в плоскости проводили следующим образом.

В лабораторную установку для сжатия стеблей (рис. 2, а) закладывали сухие стебли ячменя (рис. 2, b, 2, c). Затем они подвергаются воздействию постоянной силы (рис. 2, d), при этом замеряется значение уплотнения (рис. 2, e) после каждого воздействия груза на солому.

 

Рис. 2. Исследование плющения соломы: а — лабораторная установка; b — ёмкость для закладки соломы; c — закладка стеблей; d — воздействие начальной силы; e — измерение уплотнения.

Fig. 2. Study of straw flattening: а, laboratory installation; b, container for laying straw; c, laying the stems; d, the effect of the initial force; e, measurement of the compression.

 

Для определения силы воздействия массы груза на солому воспользуемся следующими формулами:

Сила воздействия груза:

$F_1=m\times a_1,H$, (1)

Ускорение груза за промежуток времени:

$a_1=\left(V_1-V_0\right)\times t_1,м/{с}^2$, (2)

Скорость движения груза:

$V_1=\sqrt{2\times g\times h,м/с}$, (3)

Время удара:

$t_1=\sqrt{\frac{2\times h}{g},с}$, (4)

где h — расстояние от груза до пластины плющения; m — масса груза (0,7 кг).

Для определения энергозатрат (Е) воспользуемся формулой:

$E_i=m\times g\times h_i,Дж$. (5)

Данные, полученные по стеблям ячменя, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Сжатие стеблей при повторных нагрузках

Table 1. Compression of stems under repeated loads

Варианты опытов	Количество сбросов груза по порядку	1	2	3	4	5	6	Fпл, Н	E, Дж
1	Высота сброса груза, м	0,7
	Толщина слоя соломы, мм	70	20	15	14	12	10	7,21	4,81
2	Высота сброса груза, м	0,6
	Толщина слоя соломы, мм	70	24	18	16	14	13	6,86	4,12
3	Высота сброса груза, м	0,5
	Толщина слоя соломы, мм	70	29	22	20	18	16	6,81	3,43
4	Высота сброса груза, м	0,4
	Толщина слоя соломы, мм	70	33	25	23	20	17	6,76	2,75
5	Высота сброса груза, м	0,3
	Толщина слоя соломы, мм	70	37	28	26	23	21	6,68	2,06

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

В опытах каждая последующая нагрузка прилагается после прекращения сжатия (причём, последующая нагрузка равна предыдущей).

После проведенных опытов были построены графики первого и последнего опытов, в котором была отображена самая большая и самая маленькая сила воздействия на солому (рис. 3) изменения толщины слоя соломы от количества повторов сжатия и воздействия определенной силы.

 

Рис. 3. Изменение толщины слоя соломы от количества повторяющихся нагрузок.

Fig. 3. The change in the thickness of the straw layer from the number of repetitive loads.

 

Из графика установлено, что сжатие стеблей будет увеличиваться с ростом циклов нагрузок. В итоге сжатие группы стеблей стремится к некоторому пределу уплотнения, при котором стебли приобретают упруго-уплотненное состояние.

Опыты, проведённые при различных значениях силы с сухими стеблями ячменя, показали, что уже через 7...11 циклов наступает предел уплотнения.

Оценивая степень сжатия соломы (рис. 4), было установлено, что для уплотнения 71% сухой соломы достаточно единожды приложить нагрузку.

 

Рис. 4. Степень сжатия соломы.

Fig. 4. The degree of compression of the straw.

 

Следует отметить, что после смыкание внутренних стенок стеблей и изменения формы их мягких частей, начинает изменяться свойства стебля, что характеризуется большим сопротивлением сжатию.

ОБСУЖДЕНИЕ

При анализе полученных графиков установлена закономерность сжатия соломы, представленная в виде двух графиков. Один график (см. рис. 3) построен в координатах «количество нагрузок — толщина слоя соломы», т. е. по оси абсцисс отложено количество последующих нагрузок с одной и той же силой, а по оси ординат — сжатие материалов в миллиметрах.

Другой график (см. рис. 4) построен в координатах «количество нагрузок — степень сжатия», т. е. по оси абсцисс отложены количество последующих нагрузок с одной и той же силой, а по оси ординат — степень сжатия в процентах.

Можно заметить, что с увеличением количества последующих нагрузок степень сжатия соломы увеличивается, но для применения в зерноуборочном комбайне достаточно единичной нагрузки, чтобы степень сжатия соломы достигла 70%. Стоит заметить, что для сжатия сухой соломы нужно сравнительно небольшое усилие, а значит и энергозатраты на механизм для плющения будут небольшие — около 5 Дж.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведённых исследований можно судить о том, что усилие, необходимое на плющение, незначительно. При этом, с увеличением силы воздействия на солому, увеличивается её степень плющения.

Использование плющения соломы позволяет ускорить её разложение, а уровень плющения в 70% соломы достигается однократным воздействием силы, энергия которой равна 4,81 Дж. Это позволяет повысит эффективность уборки, при этом незначительно увеличивая энергозатраты на плющение соломы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. О.В Гордеенко — научное руководство, формулирование основной концепции исследования, общее руководство экспериментальными исследованиями, проведение критического анализа результатов и формулирование выводов; С.И. Козлов — анализ литературных данных, проведение экспериментов и обработка их результатов; В.М. Кузюр — анализ литературных данных, проведение экспериментов и обработка их результатов; С.И. Будко — анализ литературных данных, подготовка первоначального варианта текста и доработка текста, проведение экспериментов и обработка их результатов. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: O.V. Gordeenko: scientific guidance, formulation of the basic concept of research, general management of experimental research, critical analysis of results and formulation of conclusions; S.I. Kozlov: analysis of literary data, conducting experiments and processing their results; V.M. Kuzyur: analysis of literary data, conducting experiments and processing their results; S.I. Budko: analysis of literary data, preparation of the initial version of the text and revision of the text, conducting experiments and processing their results. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that issues related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: Not applicable.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work as no new data was collected or created.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

作者简介

Oleg Gordeenko

Belarusian Agricultural Academy

Email: sxm@baa.by
ORCID iD: 0009-0006-6229-9396
SPIN 代码: 4845-7178

Cand. Sci. (Engineering), assistant professor, Head of the Agricultural Machinery Department

白俄罗斯, Gorki

Stepan Kozlov

Belarusian Agricultural Academy

Email: Stepan-61@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0128-3455
SPIN 代码: 4731-8381

Cand. Sci. (Engineering), assistant professor, Assistant professor of the Animal Husbandry Mechanization and Electrification of Agricultural Production Department;

白俄罗斯, Gorki

Vasiliy Kuzyur

Bryansk State Agrarian University

Email: kvming@mail.com
ORCID iD: 0009-0002-0232-6680
SPIN 代码: 4505-9405

Cand. Sci. (Engineering), assistant professor, Assistant professor of the Technical Service Department

俄罗斯联邦, Bryansk

Sergei Budko

Bryansk State Agrarian University

编辑信件的主要联系方式.
Email: s.budko.32@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1291-4235
SPIN 代码: 7502-3169

Cand. Sci. (Engineering), assistant professor, Assistant professor of the Technical Service Department

俄罗斯联邦, Bryansk

参考

补充文件