The study of the process of orientation of the flax strip in flax harvesters

Full Text

Введение

Возделывание льна-долгунца во всем мире нацелено на производство волокнистого сырья для текстильной отрасли лёгкой промышленности [1]. Льняные семена также являются ценной продукцией и широко востребованы в пищевой промышленности, медицине, косметологии и многих других сферах деятельности человека. Важной особенностью вегетации этой сельскохозяйственной культуры является существенная разница в сроках формирования волокна и созревания семян (10…12 дней). Поэтому для обеспечения наибольшего экономического эффекта путем получения обоих видов продукции высокого качества необходимо организовать технологический разрыв между тереблением растений и отделением от них семян [2]. Реализовать указанное требование позволит применение двухфазной (раздельной) уборки льна. При этом первую фазу уборочной технологии необходимо производить в конце зелёной и начале ранней жёлтой спелости растений, когда волокно обладает наивысшим качеством. Вторая, самая ответственная и самая сложная фаза уборки выполняется после дозревания семян на растениях, разостланных в ленты для естественной подсушки, и отвечает за отделение от стеблей и сбор семенной части урожая. Высокая ответственность указанной операции состоит также в её зависимости от количества и продолжительности осадков в период уборки. Поэтому в российских условиях для реализации второй фазы уборки лучше всего подходят подборщики-очёсыватели с гребневыми очёсывающими аппаратами, способными надежно выполнять технологический процесс с растениями любой спелости и влажности. Известно также [3–5], что качество работы гребневых аппаратов применительно к льноподборщикам во многом зависит от величины ошибок горизонтального копирования ленты растений при её подборе с поверхности льнища. Случайные отклонения подбирающего аппарата в сторону вершинной части ленты растений вызовут потери семян от недоочёса, а подбор ленты за комлевую часть увеличит отход стеблей в путанину. Указанные отклонения характеризуются систематическими ошибками, значения которых изменяются в пределах  0,11 м [6, 7]. Отклонения подборщика в сторону вершин имеют знак плюс, а в сторону комлевой части — минус. С учетом обозначенной проблемы в Костромской ГСХА при участии ФНЦ ЛК был разработан подборщик-очёсыватель с устройством для ориентирования ленты льна наклонного типа (далее — ориентирующее устройство), предназначенным для исправления ошибок копирования ленты растений перед подачей ее в очёсывающий аппарат (рис. 1) [8]. Ориентирующее устройство 2 расположено между подбирающей частью 1 машины и очёсывающим аппаратом 3 гребневого типа.

 

Рис. 1. Подборщик-очёсыватель лент льна: а — вид спереди; b — вид на ориентирующее устройство: 1 — подборщик; 2 — ориентирующее устройство; 3 — очёсывающий аппарат.

Fig. 1. A combing picker of flax strips: а — front view; b — view of the orienting device: 1 — the picker; 2 — the orienting device; 3 — the combing device.

 

Ориентирующее устройство представляет собой стол 1 с комлевым 3 и вершинным 2 конвейерами (рис. 2), расположенными в одной плоскости под наклоном γ к горизонту. Конвейер 4 является ограничительным, и его рабочая поверхность перпендикулярна плоскости стола 1. Причём конвейер 4 конструктивно объединен подвижной рамной конструкцией с комлевым конвейером 3 со способностью их совместного перемещения в направлении осей стеблей при изменении длины последних.

 

Рис. 2. Ориентирующее устройство: 1 — стол; 2 — вершинный конвейер; 3 — комлевой конвейер; 4 — ограничительный конвейер.

Fig. 2. The orienting device: 1 — a table; 2 — a vertex conveyor; 3 — a butt conveyor; 4 — a restrictive conveyor.

 

Основными управляющими воздействиями на процесс исправления ошибок копирования являются смещения растений в направлении наклона стола 1 в сторону вершинной части ленты (вверх) и или в сторону комлей (вниз). В обоих случаях указанный процесс должен полностью завершиться за время нахождения ленты льна в ориентирующем устройстве. Смещение растений вниз на величину  происходит под воздействием силы тяжести и ограничено рабочей поверхностью конвейера 4. Сдвигание ленты льна в сторону вершин осуществляется принудительным образом тем же конвейером 4, ограничительная поверхность которого выполнена под углом α с подъемом на выходе из ориентирующего устройства на величину  относительно его входа. Смещение ленты вниз необходимо для исправления отрицательных отклонений подборщика в сторону её комлевой части, а вверх — при положительных отклонениях в сторону вершин. Причем возможность сдвигания ленты растений вверх сомнений не вызывает из-за несоизмеримо большего значения силы воздействия рабочей поверхности конвейера 4 в сравнении с суммарным значением сил, возникающих в местах контакта стеблей со столом 1 и конвейерами 2 и 3 [9–11]. Напротив, смещение ленты льна вниз является неуправляемым процессом, происходящим за очень короткий промежуток времени под воздействием ряда случайных факторов. Поэтому указанный процесс нуждается в экспериментальном исследовании и обосновании.

Цель работы — обоснование параметров ориентирующего устройства для исправления ошибок горизонтального копирования ленты льна подбирающим аппаратом льноуборочной машины.

Для достижений поставленной цели необходимо определить зависимость величины смещения ленты льна под действием силы тяжести по наклонному столу ориентирующего устройства от параметров, режимов и условий его работы.

Материалы и методы

Программа исследований была реализована в лабораторных условиях с применением экспериментальной установки, состоящей из ориентирующего устройства с подбирающей частью, установленного на винтовых опорах, питающего ленточного конвейера, имитирующего поверхность поля, системы привода и управления. Система привода включала в себя асинхронные электродвигатели переменного тока, клиноременные и цепные передачи. Для оценки всех возможных смещений ленты льна ориентирующее устройство было выполнено без ограничительного конвейера. Фиксацию значений исследуемого процесса выполняли путём видеозаписи с последующим просмотром в режиме покадрового воспроизведения. Для этого напротив ориентирующего устройства закрепили на штативе видеокамеру, а на поверхности стола нанесли шкалу с горизонтальными делениями.

Объектом исследования являлся процесс смещения ленты стеблей льна под действием силы тяжести по наклонному столу в ориентирующем устройстве подборщика-очёсывателя. В качестве предмета исследования выступали угол наклона стола ориентирующего устройства — γ, скорость комлевого и вершинного конвейеров — V_к, влажность растительной массы — W. Перед проведением основного эксперимента была проведена серия поисковых опытов, в которых длина конвейеров ориентирующего устройства варьировалась от 0,85 м до 1,15 м. С учетом полученных результатов и габаритного размера льноуборочного агрегата в дальнейших исследованиях длина конвейеров принята равной 1,0 м. Размеры факторного пространства указанных параметров выбраны с учетом особенностей конструкции, условий и режимов работы подборщика-очёсывателя (табл. 1).

 

Таблица 1. Основные координаты факторного пространства

Table 1. The main coordinates of the factor space

Значение факторов в натуральном виде The importance of factors in their natural form			Значение факторов в кодированном виде The value of the factors in encoded form
скорость комлевого и вершинного конвейеров — Vк, м/с the speed of the loop and vertex conveyors is Vк, m/s	угол наклона стола ориентирующего устройства — γ, º the angle of inclination of the table of the orientation device is γ, º	влажность растительной массы — W, % moisture content of the plant mass — W, %	Х1	Х2	Х3
1,5	45,0	12,0	Нижний уровень (-1) Lower level (-1)
2,0	55,0	37,0	Основной уровень (0) Main level (0)
2,5	65,0	62,0	Верхний уровень (+1) Upper level (+1)
0,5	10,0	25,0	Интервал варьирования (Xi) Variation interval (Xi)

 

Целевой функцией являлось смещение ∆ ленты льна в направлении наклона стола в виде разницы ординат вершинной части растений на входе и выходе ориентирующего устройства.

Программа экспериментальных исследований была реализована с применением плана 2-го порядка Бокса-Бенкина [12].

Управление наклоном γ стола выполняли с помощью двух винтовых опор, расположенных под рамой ориентирующего устройства. Контроль значений этого фактора осуществляли электронным угломером SKATA Inclinometer (рис. 3).

 

Рис. 3. Приборы для проведения исследований: a — электронный угломер; b — преобразователь частоты; с — минимойка Kärcher.

Fig. 3. Devices for conducting studies: a — an electronic inclinometer; b — a frequency converter; с — a Kärcher mini-washer.

 

Варьирование скоростью конвейеров Vк осуществляли путём изменения преобразователем частоты Веспер E4-8400 числа оборотов электродвигателя привода ориентирующего устройства (см. рис. 3).

Ленты льна для опытов формировали из растений, вытеребленных в стадии ранней желтой спелости льнокомбайном ЛК-4А с отключенным очёсывающим аппаратом. Для имитации условий проведения второй фазы раздельной уборки растения в лентах подсушивали на льнище в естественных условиях в течение семи дней. После подсушки и дозревания семян полученные ленты льна пятиметровыми отрезками заворачивали в рулоны с прокладыванием между слоями влагопрочной бумаги марки «ВПМ». Окончательная подсушка растений производилась в лентах, развернутых в сухом закрытом помещении.

Для управления влажностью растений отрезки ленты льна равномерно смачивали водой при помощи минимойки Kärcher OC 3 Battery Power 18V (см. рис. 3) с производительностью подачи воды 120 л/ч (33,3 мл/с) и вновь заворачивали в рулон на один час для пропитки растений свободной влагой. Количество воды, необходимое для пропитки растений и создания необходимых по плану эксперимента уровней влажности вычисляли с учётом результатов предварительного опыта, выполненного путем увлажнения контрольного отрезка ленты сухого льна:

$Q_{\text{э}}=Q_{\text{к}}\cdot \frac{W_{\text{э}}\cdot m_{\text{э}}}{W_{\text{к}}\cdot m_{\text{к}}}$, (1)

где Q_к — масса контрольного объема воды, кг; W_э — влажность растений по плану эксперимента, %; mэ — масса экспериментального отрезка ленты сухих растений льна, кг; W_к — влажность растений в контрольном отрезке увлажненной ленты, %; m_к — масса контрольного отрезка исходной ленты сухих растений, кг.

Для каждого опыта рулон ленты растений, увлажнённых в соответствии с планом эксперимента, разворачивали на питающем конвейере лабораторной установки. Далее последовательно включали привод ориентирующего устройства с подбирающей частью и привод питающего конвейера. При этом подбирающий барабан принимал ленту растений c питающего конвейера и подавал её на вход ориентирующего устройства. Лопатки комлевого и вершинного конвейеров захватывали стебли и перемещали их вдоль шкалы на поверхности стола. По этой шкале путем видеозаписи фиксировали значения ординат вершинной части ленты растений на входе и выходе ориентирующего устройства. По разности средних значений входных и выходных ординат рассчитывали величину смещения:

$\Delta ={\overline{у}}_{\text{вход}}-{\overline{у}}_{\text{выход}}$. (2)

Один из вариантов исследуемого процесса представлен на рис. 4.

 

Рис. 4. Смещение ∆ ленты льна в направлении наклона стола.

Fig. 4. The flux strip displacement ∆ in the direction of the tilt of the table.

 

Полученные значения обрабатывали методом множественного регрессионного анализа на ПЭВМ с применением программы STATGRAPHICS Plus 5 [13].

Результаты

В результате компьютерной обработки получена математическая модель в виде полинома второй степени, адекватно описывающая исследуемый процесс в кодированных пределах факторного пространства:

$\Delta =\mathrm{26,5}-\mathrm{5,22}\cdot V_{\text{к}}+\mathrm{2,27}\cdot \gamma -\mathrm{0,8}\cdot W+1.65\cdot V_{\text{к}}^2-\mathrm{0,9}\cdot W^2+1.2\cdot V_{\text{к}}\cdot \gamma$. (3)

Для регрессионной модели (3) построили поверхности отклика и их двумерные сечения, соответствующие пересечению пространственной фигуры с плоскостями [14, 15], показанные на рис. 5–7.

 

Рис. 5. Графическое место точек для зависимости $\Delta =f\left(X1;X2;X3=1\right)\to \max .$: a — поверхность отклика; b — её двумерное сечение.

Fig. 5. Graphical location of the points for the dependence $\Delta =f\left(X1;X2;X3=1\right)\to \max .$: a — the response surface; b — its two-dimensional section.

 

Рис. 6. Графическое место точек для зависимости $\Delta =f\left(X1;X3;X2=1\right)\to \max$: a — поверхность отклика; b — её двумерное сечение..

Fig. 6. Graphical location of the points for the dependence $\Delta =f\left(X1;X3;X2=1\right)\to \max$: a — the response surface; b — its two-dimensional section..

 

Рис. 7. Графическое место точек для зависимости $\Delta =f\left(X2;X3;X1=1\right)\to \max$: a — поверхность отклика; b — её двумерное сечение.

Fig. 7. Graphical location of the points for the dependence $\Delta =f\left(X2;X3;X1=1\right)\to \max$: a — the response surface; b — its two-dimensional section..

 

Наибольший вес в полученной модели имеет скорость Vк конвейеров. На рис. 5 критерий оптимизации ∆ с параметрами оптимизации $\Delta =f\left(V_{\text{к}};\gamma ;W=1\right)$ указывает на то, что максимальный эффект ∆_max = 0,34 м достигается при минимальной скорости конвейеров V_к = 1,5 м/с и наибольшем наклоне стола γ = 65°. Причем значительная реакция полученной модели на изменение скорости V_к сохраняется во всем диапазоне наклонов стола $45°\le \gamma \le 65°$.

При визуальном анализе другого критерия (рис. 6) с параметрами оптимизации , также отчетливо выделяется доминанта скорости конвейеров в математической модели (3). Доминирующее влияние этого фактора обусловлено обратно пропорциональным увеличением длительности исследуемого процесса, то есть времени движения ленты льна в ориентирующем устройстве.

Второе место по значимости факторов в уравнении (3) занимает угол γ наклона стола (см. рис. 5 и рис. 7). Существенное влияние этого фактора объясняется тем, что при увеличении угла γ наклона к горизонту уменьшается сила трения стеблей по столу, препятствующая смещению растений пропорционально $\cos \gamma$, и одновременно с этим возрастает пропорционально $\sin \gamma$ составляющая силы тяжести, способствующая перемещению стеблей в направлении наклона стола.

Самые низкие коэффициенты регрессии в полученной модели имеют влажность W льна и её квадратичное взаимодействие W². Однако результаты сравнения этих коэффициентов с табличными значениями критерия Стьюдента не позволили исключить указанный фактор из уравнения (3). При этом влияние влажности растений на величину их смещения находится в диапазоне всего лишь 0,01...0,02 м (см. рис. 6, 7). Слабость такого эффекта объясняется тем, что средние значения углов динамического трения стеблей льна с различной влажностью по стали ${\phi }_0={\mathrm{16,2...33,2}}^{\text{o}}$ [16] находятся более, чем в два раза ниже факторного пространства углов наклона стола γ, равного 45...65°.

Из сказанного следует, что для максимального смещения ленты льна под действием силы тяжести в ориентирующем устройстве необходимо снижать скорость его транспортирующих конвейеров и увеличивать угол наклона стола в рамках факторного пространства. Однако предельные уровни варьирования могут вызвать дестабилизацию технологического процесса. Поэтому выбор конкретных значений указанных параметров должен основываться также и на обеспечении высокой технологической надёжности отдельных рабочих органов и всей машины в целом.

Для реализации указанного требования применительно к первому параметру необходимо избегать больших перепадов скоростей рабочих органов в переходных зонах между последовательно расположенными элементами машины. В частности, в подборщике-очёсывателе ориентирующее устройство установлено между подбирающей частью и очесывающим аппаратом. При этом скорость ремней подбирающей части равна скорости агрегата V_агр. ≈ 2,5 м/с, а скорость ремней зажимного транспортера очёсывающего аппарата составляет V_з.т. = 1,54 м/с. Тогда для минимизации скоростных перепадов путем их выравнивания на входе и выходе ориентирующего устройства следует принять скорость его конвейеров, равную V_к = 2,0 м/с.

Предельное значение второго параметра ограничено условием «незаваливания» стеблевой массы в ориентирующем устройстве [17]. Поэтому угол наклона стола не должен превышать γ = 60°.

Значения аппликат ∆ всех точек с координатами V_к = 2,0 м/с и γ = 60° на рис. 5, 6 и 7 свидетельствуют о гарантии исправления ошибок горизонтального копирования подбираемых лент, вызванных случайными отклонениями подборщика в сторону комлевой части.

Важным обстоятельством является также и то, что влияние влажности льна на процесс ориентирования массы стеблей оказалось малозначительным. Из сказанного следует, что ориентирующее устройство будет выполнять свои функции как на сухом, так и на влажном льне, а его комбинация с гребневым очесывающим аппаратом в конструкции подборщика-очесывателя позволит снизить зависимость второй фазы и всей технологии двухфазной уборки от погодных условий.

Высокая эффективность ориентирующего устройства была также установлена в результате корреляционно-спектрального анализа его работы в производственных условиях на подборщике-очёсывателе ПОЛ-1,5К [10, 11].

Обсуждение и заключение

В российских условиях для реализации второй фазы уборки лучше всего соответствуют подборщики-очёсыватели с гребневыми очёсывающими аппаратами, надежно функционирующими на льне любой спелости и влажности. Однако качество работы таких аппаратов заметно снижается при случайных отклонениях подборщика от центра тяжести неочёсанной ленты стеблей.

Получена математическая модель (3), при анализе которой определены параметры ориентирующего устройства, эффективно исправляющего ошибки горизонтального копирования подбираемой ленты льна перед подачей ее в очёсывающий аппарат. Обозначенный эффект будет обеспечен при скорости конвейеров 2 м/с, наклоне стола 60° и его длине 1 м. Малое влияние влажности растений на эффективное функционирование ориентирующего устройства в комбинации с гребневым очёсывающим аппаратом в конструкции подборщика-очёсывателя позволит существенно снизить зависимость двухфазной технологии уборки льна-долгунца от погодных условий.

При проектировании льноуборочных технических средств для исправления ошибок копирования подбираемой ленты стеблей перед подачей её в очесывающий аппарат необходимо применять ориентирующее устройство, представляющее собой стол с конвейерами, расположенными в одной плоскости под наклоном γ к горизонту с принципом действия устройства, основанном на смещении ленты стеблей в направлении наклона стола под неуправляемым и кратковременным воздействием их силы тяжести.

По результатам исследований были созданы макетные образцы подборщика-очёсывателя лент льна ПОЛ-1,5К, которые проходили проверку в производственных условиях на полях льносеющих хозяйств Тверской, Костромской и Ярославской областей. В общей сложности машиностроительными предприятиями этих областей было выпущено 60 подборщиков-очёсывателей ПОЛ-1,5К и ПОЛ-1,5. По данным государственных испытаний на Калининской МИС производительность подборщика-очёсывателя ПОЛ-1,5К в разные годы составляла 0,95…1,2 га/час, а машины ПОЛ-1,5 0,86...1,02 га/час основного времени, чистота очёса семенных коробочек соответственно 98,6...99,8% и 97,9...98,4%, при отходе стеблей в путанину 0,52…1,74% и 0,8...2,3%.

Дополнительная информация

Вклад авторов. А.Н. Зинцов — формулирование концепции решения, постановка задачи, подготовка начального текста с последующей доработкой, проведение исследований анализ результатов, визуализация; М.М. Ковалев — научное руководство, подготовка начального текста с последующей доработкой, проведение критического анализа исследований, визуализация, утверждение финальной версии; Г.А. Перов — определение методологии исследования, сбор и анализ материалов по теме исследования, проведение исследований и обработка экспериментальных данных, доработка текста. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках Государственного задания ФГБНУ ФНЦ ЛК (№ FGSS-2022-0005).

Additional information

Authors’ contribution. A.N. Zintsov — formulation of the solution concept, problem statement, preparation of the initial text with subsequent revision, study conducting, analysis of results, visualization; M.M. Kovalev — scientific guidance, preparation of the initial text with subsequent revision, conducting a critical analysis of research, visualization, approval of the final version; G.A. Perov — definition of the study methodology, collection and analysis of materials on the research topic, study conducting and processing of experimental data, revision of the text. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare the absence of obvious conflicts of interests related to the publication of this article.

Funding source. This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the State Assignment of the Federal Scientific Center for Fiber Crops (No. FGSS-2022-0005).

About the authors

Alexander N. Zintsov

Kostroma State Agricultural Academy

Email: zintsov_a@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3443-2015
SPIN-code: 2073-8846

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Tractors and Automobiles Department

Russian Federation, Karavaevo

Mikhail M. Kovalev

Federal Research Center for Fiber Crops

Author for correspondence.
Email: m.kovalev@fnclk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2424-4205
SPIN-code: 6189-8619

Dr. Sci. (Engineering), Chief Researcher of the Agroengineering Technologies Laboratory

Russian Federation, Tver

Gennady A. Perov

Federal Research Center for Fiber Crops

Email: vniiml2@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5830-6817
SPIN-code: 4478-4991

Cand. Sci (Engineering), Leading Researcher of the Agroengineering Technologies Laboratory

Russian Federation, Tver

References

Supplementary files