Energy intensity of chopping fructified raspberry stems

Full Text

Введение Формирование кроны культурного растения путем его обрезки является обязательным технологическим приемом для виноградарства и, в меньшей степени, для современного плодоводства. При этом возникает проблема удаления с плантации и утилизации получаемых обрезков. В более широком плане, указанная проблема характерна и для лесного комплекса страны, а также для паркового и коммунального хозяйства крупных городов [1-3]. Проблема утилизации растительных остатков актуальна и для малины, поскольку после съема урожая ее отплодоносившие стебли необходимо ежегодно удалять, хотя бы потому, что в них могут зимовать вредители и возбудители болезней. [4]. При выращивании сортов ремонтантного типа такое удаление может быть полностью механизировано путем использования серийных косилок-измельчителей [5]. Сложнее решается проблема утилизации растительных остатков при выращивании сортов, плодоносящих на двухлетних стеблях, которые после ручной вырезки приходится подбирать с поверхности междурядья, измельчать и вывозить [6]. В среднем на каждом гектаре необходимо вывезти и утилизировать порядка 3 т стеблей. С технической точки зрения неразрешимой проблемы в этом нет. Еще в конце XX века машина, способная надежно выполнять указанный технологический процесс, была разработана и испытана [7]. При ее конструировании была реализована научная гипотеза, заключающаяся в том, что отплодоносившие стебли малины после их вырезки и нахождения некоторое время на открытом воздухе подсыхают и становятся хрупкими, в связи с чем при измельчении их целесообразно не резать, а переламывать [8]. В качестве рабочих органов для этой цели наиболее подходят многолопастные пары роторов, смонтированные с радиальным перекрытием и сдвигом по фазе на половину центрального угла между лопастями. Стебли затягиваются в межроторное пространство лопастями синхронно вращающихся роторов и переламываются. Работоспособность конструкции была подтверждена успешными полевыми испытаниями, однако тогда были зафиксированы только показатели качества измельчения, заключавшиеся в получении распределения длины отрезков, на которые стебли дезинтегрировались [6, 7]. Технологический процесс выполнялся с приемлемым качеством, однако сама по себе работоспособность конструкции не гарантирует того, что при ее разработке были выбраны наиболее подходящие рабочие органы с оптимальными параметрами. Для подтверждения исходной теоретической гипотезы необходимо было получить объективные показатели, свидетельствующие о реальном силовом и энергетическом преимуществе разработанного измельчающего аппарата. Кроме того, отсутствовали исходные данные для силового и прочностного расчета конструкции, без которых не избежать либо ее излишней металлоемкости, либо недостаточной надежности. Цель исследования. Основная цель исследования заключалась в получении усилий, необходимых для перерезания и переламывания отплодоносивших стеблей малины после их предварительного подсушивания на открытом воздухе. При этом необходимо было установить зависимость силовых и энергетических параметров процессов от диаметра стебля, способа его фиксации на опорном устройстве и расстояния между опорными точками. Материалы и методы Отдельные компоненты физико-механических свойств стеблей малины изучались исследователями по мере необходимости для реализации конкретных научно-конструкторских задач. Так, Л.М. Махиня и Ф.А. Волков (ВСТИСП, Москва) изучали стеблестой малины с точки зрения влияния его параметров на работу малиноуборочного комбайна [9]. В связи с этим их, в основном, интересовали упругие свойства стеблей, а не их прочность на излом или перерезание. При разработке ограничителя высоты ряда малины исследователя, наряду с показателями упругости, интересовал и процесс резания стеблей, который, однако, был ограничен их верхней, полутравянистой частью [10]. Более того, при ограничении высоты ряда предполагается резание вегетирующих стеблей с естественной влажностью перерезаемого материала. Поэтому полученные С.В. Чвалой двухфакторные модели процесса перерезания стеблей не могут быть автоматически распространены на их резание, а тем более, переламывание после подсушивания, особенно - в комлевой части. Для реализации цели исследования, разработана лабораторная установка, позволяющая фиксировать вертикальное усилие, прикладываемое к испытываемому поперечному сечению стебля в момент его разрушения, на базе которой были спланированы четыре серии экспериментов (рис. 1). Первая серия включала изучение процесса перерезания лезвием ножа 4 стебля 3(6), опирающегося на две опоры 1 и 2 и удерживаемого с одной стороны прижимом 5 (рис. 1а). При этом нож устанавливался с минимально возможным зазором по отношению к противорезу, роль которого выполняла опора 1. То есть, по сути, установка в этом варианте наладки имитировала работу лезвия секатора. Вторая серия опытов позволила исследовать процесс резания стебля лезвием при тех же условиях, как в первом случае, за исключением опорной схемы. Во второй серии опытов осуществлялось «консольное» резание (рис. 1б). То есть, левая часть 3 стебля опиралась только на правую опору 1. При этом основная часть 6 стебля была также зафиксирована прижимом 5. Две следующие серии опытов были посвящены изучению усилия, необходимого для поперечного переламывания стеблей (рис. 1 в, г). Подлежащий переламыванию стебель укладывали на опоры 1 и 2, а затем прикладывали вертикальное усилие посредством клиновидного пуансона 4 ровно по центру свободного пространства b1 (b2) между опорами. При этом свободный конец 6 стебля не фиксировали, а лишь слегка придерживали. Рис. 1. Схема вариантов опыта: а) - резание на двух опорах; б) - резание консольное; в) - переламывание (b1 = 30 мм); г) - переламывание (b2 = 54 мм); 1, 2 - опоры; 3, 6 - части измельчаемого стебля; 5 - прижим; 4 - нож (клиновидный пуансон) Fig. 1. Scheme of experiment variants: a) - cutting on two supports; b) - cantilever cutting; c) - breaking (b1 = 30 mm); d) - breaking (b2 = 54 mm); 1, 2 - suppots; 3, 6 - parts of the shredded stem; 5 - clamp; 4 - knife (wedge-type punch) Как следует из рисунка, были использованы два варианта настройки оборудования. В первом случае расстояние между опорами 1 и 2 было принято равным b1 = 30 мм. Вторая серия опыта выполнялась при b2 = 54 мм. Выбор указанных размеров обусловлен тем, что в первом случае осуществляется имитация переламывания с частичным раздавливанием стебля, что характерно для измельчающего ротора недостаточного диаметра. Больший размер предполагает режим измельчения без заметного раздавливания материала стебля. Главной проблемой планирования эксперимента является высокая степень дифференциации параметров исследуемого объекта. Дело в том, что свойства стеблей в комлевой части и в средней зоне заметно меняются. В связи с этим отбирали стебли, относящиеся к двум типоразмерным группам. Условно «тонкие» имели диаметр в комлевой части порядка 9 … 10 мм, а условно «толстые» - 12 … 13 мм. Высокая степень дифференциации размеров стеблей не позволяла надежно гарантировать стабильный диаметр испытываемого поперечного сечения, то есть планировать эксперимент при заведомо фиксированных значениях факторного признака (диаметра). В связи с этим опыт с каждым из стеблей начинался с измерения диаметра его комлевой части. После отрезания (отламывания) отрезка стебля на его оставшейся части выбирали случайным образом очередное поперечное сечение, которое измеряли и опыт повторялся. Каждая серия опытов включала 25 повторностей. При этом стремились обеспечить примерно равное представительство поперечных сечений разного диаметра, чтобы исключить обеспечить максимально возможный в таких условиях уровень достоверности результатов исследования. Результаты и обсуждение Перед проведением эксперимента в межкафедральной лаборатории Брянского ГАУ была измерена влажность стеблей, оказавшаяся равной 8,85%. Диаметр стеблей измеряли стандартным штангенциркулем с ценой деления 0,1 мм. Усилие измеряли механическим (пружинным) динамометром с ценой деления 2 Н. Фиксировали максимальное усилие, достигавшееся в каждой повторности опыта. В первую очередь целесообразно проанализировать результаты каждой серии экспериментов по отдельности. Для этой цели в программе Excel были построены тренды, характеризующие зависимость максимального усилия поперечного воздействия на стебель от его диаметра. На рисунке 2 приведен линейный тренд, полученный путем обработки результатов опыта по перерезанию стеблей с их фиксацией на двух опорах, как это показано на рисунке 1а. Разброс значений достаточно широк, но, как отмечалось выше, это обусловлено высоким уровнем дифференциации свойств измельчаемого материала. Так, для одних испытываемых образцов диаметр 10 мм приходился на комлевую часть, тогда как в других случаях такой размер был характерен для средней зоны стебля. Для полукустарника, каким является малина [11], естественно, что структура и прочность материала комлевой части стебля заметно отличаются от соответствующих параметров его средней зоны. Рис. 2. Поле корреляции и зависимость усилия перерезания стебля малины от его диаметра при опорном резании Fig. 2. Correlation field and the dependence of the cutting force of the raspberry stem on its diameter during support cutting Для других серий опыта также характерна линейная форма тренда (рис. 3). Переход в сериях с переламыванием на полиномиальную модель увеличивал коэффициент детерминации R2 всего на 1 - 2%. Так, при переламывании и расстоянии между опорами Δ = 54 мм переход от линейного тренда на его полиномиальный вариант увеличил R2 с 0,8252 до 0,8467. Очевидно, что разница существенно меньше ошибки измерения, приближающейся к 15%. Полученная в обоих вариантах перерезания стеблей линейная зависимость усилия резания от их диаметра (тренды 1 и 2 на рис. 3) хорошо согласуется с классическими представлениями об этом процессе. Действительно, основное сопротивление перемещению рабочего органа оказывает раздавливаемая полоса перезаемого материала, сопоставимая по ширине с толщиной зоны затупления лезвия, являющейся постоянной величиной. Таким образом, площадь раздавливаемого лезвием материала зависит только от диаметра стебля. В определенной степени, результат сопоставления двух трендов оказался неожиданным. Дело в том, что он свидетельствует о разных механизмах разрушения толстой (комлевой) части стебля и его более тонкой (средней) части. Действительно, при максимальном диаметре стебля усилие консольного резания на 8,8% превышает усилие опорного резания. С учетом того, что ошибка варьируется на уровне 12 - 13%, указанное различие можно оценить, как мало значимое. Иная ситуация при резании более тонкой части стебля. Так, при диаметре 6 мм усилие, необходимое на перерезание стебля в варианте опорного резания, на 42,5% выше аналогичного показателя, характерного для консольного резания. Очевидно, что разница, безусловно, значимая и она свидетельствует о наличии принципиальных отличий в характере процесса. Рис. 3. Зависимость усилия, расходуемого на измельчение стеблей от их диаметра и способа разрушения: 1 - резание на двух опорах; 2 - резание консольное; 3 - переламывание при Δ = 30 мм; 4 - переламывание при Δ = 54 мм Fig. 3. Dependence of the effort spent on grinding the stems on their diameter and the method of destruction: 1 - cutting on two supports; 2 - cantilever cutting; 3 - breaking at Δ = 30 mm; 4 - breaking at Δ = 54 mm Отчасти полученный результат может быть объяснен следующим образом. При резании стебля на опорах происходит «заклинивание» фасочной части лезвия (рис. 1а), что вызывает рост силы трения материала по поверхности фаски и существенно увеличивает общий результат. При консольном резании отделяемый участок 3 стебля сразу отклоняется вниз и не создает значимого усилия трения по поверхности фаски ножа. Если проанализировать тренды, характеризующие процесс переламывания стеблей (тренды 3 и 4 на рис. 3), то полученный результат сопоставления вполне соответствует основным положениям науки о сопротивлении материалов. Действительно, увеличение расстояния между опорами в 1,8 раза привело к уменьшению усилия переламывания: при Dmin = 6 мм в 1,84 раза, а при Dmax = 12 мм - в 1,5 раза. В комлевой части стеблей прямая пропорция несколько нарушается, хотя, в целом, тенденция сохраняется. Видимо для больших диаметров стеблей характерен более сложный процесс их разрушения, чем переламывание в результате «чистого» изгиба. Поскольку основная цель исследования заключалась в получении объективного сопоставления различных способов измельчения стеблей, то целесообразно рассмотреть полученные результаты и с этой точки зрения. Во-первых, следует отметить, что изображенные на рисунке графики свидетельствуют о том, что гипотеза исследования, предполагавшая, что для переламывания подсушенного стебля малины требуется меньшее усилие, чем для его перерезания, нашла экспериментальное подтверждение. Действительно, даже при расстоянии между опорами Δ = 30 мм линия тренда проходит ниже любой из точек двух других трендов, характеризующих энергоемкость процесса резания. При этом, если преимущество переламывания при Δ = 30 мм не превышает ошибки измерения, то при Δ = 54 мм в тонкой части стебля (D = 6 мм) усилие переламывания в 2,12 раза меньше, чем на его консольное перерезание. Если же сравнивать с перерезанием на двух опорах, то разница увеличивается до 3,76 раза. Что касается комлевой части стебля (D = 12 мм) то усилие, необходимое для переламывания стебля, в 1,67 - 1,86 раза меньше усилия, необходимого для его перерезания. То есть, существенную разницу в усилии, необходимом для разрушения стебля малины посредством поперечного нагружения между альтернативными вариантами измельчения можно считать зафиксированной в результате эксперимента достоверно. Это обусловлено тем, что, не смотря на достаточно широкий разброс экспериментальных данных, среднее отклонение от линии тренда в вариантах опыта не превышало 28%. На основании полученных результатов были уточнены некоторые параметры рабочего органа и смоделированы фазы процесса измельчения стеблей их поперечным переламыванием. Рабочий орган (рис. 4) выполнен в виде пары двенадцатилопастных роторов 1 и 2, смонтированных с радиальным перекрытием и сдвинутых по фазе на угол 15°. Выбор количества лопастей обусловлен аналогией с зубчатым зацепление эвольвентного типа, в котором при числе зубьев меньшем 13 возможно их заклинивание и подрезание тела зуба. Исходя из этих соображений, принято компромиссное решение, выполнить на каждом из роторов измельчителя по 12 радиальных лопастей с двухсторонним заострением наружной кромки каждой из них на угол α = 60° (рис. 1 в, г). Поскольку лопасти имеют меньшую толщину, чем зубья эвольвентного профиля, то между ними имеется достаточный резерв свободного пространства. В связи с тем, что для обеспечения необходимой величины поперечной деформации стебля целесообразно обеспечить расстояние между наружными кромками лопастей в пределах 50 - 55 мм, диаметр ротора должен быть порядка 200 - 210 мм. Процесс измельчения проходит последовательно несколько фаз. Он начинается с захвата конца 11 стебля 15 лопастями 5 и 6 нижнего ротора 2 и лопастью 7 верхнего ротора 1 (рис. 4а). При дальнейшем протягивании стебля вправо величина прогиба его участка 17 (рис. 4б) увеличивается до тех пор, пока лопасть одного из роторов не совпадет с межосевой линией (лопасть 9). В результате деформация заключенного между лопастями 3 и 4 нижнего ротора участка стебля достигает максимума, и он разламывается на отрезки 14 и 16. При дальнейшем повороте роторов разрыв связи между отрезками 13 и 14 (являющимися очередной фазой процесса) завершается, вследствие чего образуются обособленные куски 11 и 12, отбрасываемые лопастями 5, 7 и 8 роторов 1 и 2 на транспортер или в накопительную емкость. Рис. 4. Фазы процесса измельчения стебля малины поперечным переламыванием: а - начальная фаза; б - конечная фаза; 1, 2 - роторы; 3 - 10 - лопасти роторов; 11 - 17 - части измельчаемого стебля малины Fig. 4. Phases of the process of chopping the raspberry stem by transverse crushing: a - initial phase; b - final phase; 1, 2 - rotors; 3 - 10 - rotor blades; 11 - 17 - parts of the crushed raspberry stalk Измерение усилия, необходимого для переламывания стеблей малины, позволило рассчитать основные силовые и энергетические характеристики измельчителя. В расчете на длину лопасти один метр и при одновременном измельчении 25 стеблей в среднем на привод одного ротора необходимо порядка 9,3 кВт. При этом для прочностного расчета элементов привода следует принимать пиковое значение мощности Nmax = 16,4 кВт. Максимальное расчетное усилие, действующее на вал ротора в вертикальной плоскости равно 12400 Н, и оно равномерно распределено по его длине. В горизонтальной плоскости действует также распределенная по длине вала сила суммарной величиной 2750 Н. Выводы 1. Энергоемкость процесса измельчения стеблей малины зависит как от их диаметра, так и от применяемого способа поперечного воздействия. Наименее энергоемким является поперечное переламывание стебля на опорах. 2. Предпочтительным рабочим органом измельчителя стеблей малины является пара двенадцатилопастных роторов диаметром порядка 200 - 210 мм, смонтированных с радиальным перекрытием, примерно на величину расстояния между наружными кромками двух соседних лопастей. При этом роторы должны быть снабжены синхронным приводом и сдвинуты по фазе на угол 150. 3. Средняя мощность, необходимая для привода одного ротора, составляет порядка 9,3 кВт. При кратковременной «пиковой» нагрузке потребляемая мощность может увеличиться до 16,4 кВт. 4. В вертикальной плоскости на вал измельчителя длиной один метр при одновременном измельчении 25 стеблей действует максимальная распределенная нагрузка величиной до 12400 Н. В горизонтальной плоскости действует аналогичное усилие величиной 2750 Н.

About the authors

V. N Ozherel'yev

Bryansk State Agrarian University

Email: vicoz@bk.ru
DSc in Agriculture Bryansk, Russia

References

Supplementary files