Reducing the energy intensity of the process of crushing grape vines with a pick-up-chopper

全文:

Мульчирование почвы в междурядьях сада щепой срезанных веток способствует улучшению агрофизических свойств почвы, обеспечивает повышение урожайности культур. Наиболее перспективны для реализации технологии измельчения сучьев непосредственно при движении по междурядью сада машины марок Perfect (Голландия), Celli (Италия), Tehnos (Италия), Mega Metal (Хорватия). Анализ конструкций измельчительных машин и их работы при переработке ветвей показал, что наиболее энергоемкая операция – резание ветвей. Энергоемкость этого процесса рассматривается как отношение затраченной энергии на резание древесины режущими кромками ножей, установленных на роторе измельчителя, в расчете на единицу массы или объема перерабатываемой древесины срезанных ветвей. Важное условие при создании технических средств – максимально возможное снижение их энергоемкости. Основные недостатки используемых машин для измельчения виноградной лозы – большая металлоемкость и, как следствие, энергоемкость, а также нарушение агротехнических требований при выполнении технологического процесса. Скорость удара рабочего органа по измельчаемому материалу ниже скорости распространения по обрезку продольных упругих волн напряжений. Следовательно, в деформации растяжения от поперечного удара будет участвовать только незначительная часть обрезка, равная длине пути деформации [1, 2]. При создании технических средств для подбора и измельчения виноградной лозы необходимо обеспечить их минимально возможную энергоемкость. Установлено, что эффективность процесса измельчения зависит от продольного расщепления растительных волокон, а основные параметры, влияющие на нее, – степень измельчения и удельная энергоемкость [3, 4].

Согласно результатам многолетних исследований по разработке машин для подбора и измельчения лозы, установлено, что длина частей обрезков для утилизации с разбрасыванием измельченной массы по междурядью не должна превышать 10 см [5]. При усовершенствовании подборщика-измельчителя обрезков виноградной лозы, направленном на упрощение конструкции, повышение эксплуатационной надежности и производительности, подборщик и измельчающий барабан были выполнены вращающимися в одном направлении [6]. Лоза проходит под кожухом-надбарабаньем, расположенным над измельчающим барабаном с шарнирно закрепленными молотковидными ножами с цилиндрической формой кромки лезвия в виде сегмента эксцентрической окружности. Определение оптимальных технико-технологических показателей работы подборщика-измельчителя виноградной лозы с новыми техническими решениями на макетном образце – актуальная задача.

Цель исследований – снижение энергоемкости и определение технико-технологических показателей режимов работы измельчающего узла подборщика-измельчителя виноградной лозы.

Методика. Исследования проводили в условиях ООО «Кроненталь» (с. Кольчугино, Симферопольский район). Измельчение обрезанной лозы выполняли в междурядьях плодоносящих виноградников сорта Каберне Совиньон и молодых (2020–2021 гг. посадки) сорта Мерло шириной 3 м на общей площади 34,5 га.

Макетный образец подборщика-измельчителя обрезков виноградной лозы (рис. 1) содержит раму, пальцевый подборщик, измельчающий барабан с ножами, кожух, противорезы. С учетом новых технических решений он снабжен подборщиком с пальцами, выполненными из пластин с пилообразными вырезами, и направляющим фартуком выпуклой формы. Измельчитель укомплектован молотковидными ножами, лезвия которых имеют выпуклую форму в виде сегмента эксцентрической окружности, а также лопатками с зубчатым профилем в верхней части, расположенными перпендикулярно его плоскости. Барабан измельчителя закрыт легкосъемным кожухом с противорежущими пилонами, имеющими серповидный зубчатый профиль. На раме под кожухом установленные противорезы П-образной формы со скошенной рабочей кромкой. Радиусы кривизны лопатки, режущей кромки ножа и поверхности барабана идентичны, а между ножами и серповидными пилонами установлен зазор, регулируемый путем фиксации положения кожуха, передняя часть которого закреплена на раме продольными шарнирами, а задняя – подпружиненно связана с винтовым механизмом.

 

Рис. 1. Общий вид макетного образца подборщика-измельчителя виноградной лозы: (а) сбоку; (б) спереди.

 

Перед проведением теоретических исследований по определению энергетических характеристик барабана измельчителя с шарнирным креплением ножей была построена его кинематическая схема и создана 3D-модель. Для обеспечения условия малоэнергоемкого резания с ударом виноградной лозы шарнирно закрепленными ножами барабана измельчителя выполняли расчеты скорости поворота ножа относительно шарнира и разрушающей скорости при ударном воздействии ножа на лозу.

Экспериментальные исследования макетного образца подборщика-измельчителя виноградной лозы, агрегатированного с трактором МТЗ-82, проводили на режимах работы машины, направленных на снижение затрат энергии: скорость движения машинно-тракторного агрегата – 2,5…4,5 км/ч с учетом конструктивных особенностей привода измельчающего барабана, обеспечивающего передаточное отношение 3,9, частота оборотов вала подборщика – 200…500 об/мин.

Полученные данные исследуемых параметров сравнивали с показателями карты требований к машине для подбора и измельчения обрезков лозы в междурядьях (табл. 1), разработанной при выполнении научной темы Институтом «Магарач» РАН в предшествующем периоде (Отчет ФГБУН «ВННИИВИВ «МАГАРАЧ» РАН» о НИР 2019. ГЗ № 0833-2019-0021).

 

Табл. 1. Требования к машине для подбора и измельчения обрезков лозы в междурядьях

Показатель	Значение требования
Агротехнические требования и качество работы	Измельчение срезанных обрезков и веток на части длиною до 10 см, доля которых должна составлять не менее 85 % от общей массы валка
Энергетическое средство (тяговый класс, мощность)	14…20 кН (44,15 кВт)
Способ агрегатирования	навесная
Скорость, км/ч: рабочая транспортная	не менее 2,5 до 8
Энергоемкость технологического процесса, кВтЧ	63
Производительность, га/ч: основного времени эксплуатационного времени	0,85 0,7

 

Результаты и обсуждение. Рассмотрим движение измельчающего барабана с шарнирным креплением ножей без учета поступательной скорости движения машины (рис. 2). Будем считать рациональным такой режим работы измельчителя, при котором измельчение виноградных лоз обеспечивается при минимальных затратах энергии. Для этого рассмотрим систему «барабан–нож» в произвольный момент времени с учетом угловых перемещений ножа. В этом случае система имеет две степени свободы. В качестве обобщенных координат положения барабана с ножом примем углы поворота барабана θ и ножа α.

 

Рис. 2. Кинематическая схема измельчающего барабана с шарнирным креплением ножа: r – расстояние от оси вращения О барабана до оси вращения О1 ножа, lс – расстояние от оси вращения О1 ножа до его центра тяжести С, θ – угол поворота барабана в неподвижной системе координат XOY, ψ – угол поворота ножа в неподвижной системе координат XOY, lн – длина ножа, b – ширина ножа, Т – сила сопротивления резанию виноградной лозы, F – силы трения в шарнире, P – окружное усилие, PC – центробежная сила ножа, R0 – радиус вращения центра тяжести ножа, R – радиус вращения ножа в точке приложения силы Т.

 

При встрече с частями измельчаемых виноградных лоз нож, шарнирно закрепленный на барабане, преодолевая их сопротивление резанию, также изменяет свою скорость. Масса ножа значительно больше массы частей лозы, поэтому изменение его скорости незначительно. Тем не менее, множество раз встречаясь с измельчаемыми лозами, нож каждый раз несколько отклоняется в сторону, противоположную направлению вращения барабана, и вновь возвращается в первоначальное положение. Таким образом, при круговом движении вместе с барабаном нож совершает колебательные движения вокруг оси шарнира [7].

Параметры ножа, влияющие на частоту его колебаний, – его размеры и масса. Согласно результатам исследований Е. Вирвелькера, точка приложения восстанавливающей силы, определяющей колебания ножа, совпадает с центром его тяжести С [7].

Запишем уравнения для координат центра тяжести С ножа в абсолютном движении:

$\begin{array}{l}{x}_c=r\cos \theta +l_c\cos \psi ,\\ y_c=r\sin \theta +l_c\sin \psi ,\end{array}$ (1)

где r – расстояние от оси вращения О барабана до оси вращения О₁ ножа, м;

l_с – расстояние от оси вращения О₁ ножа до его центра тяжести С, м;

θ – угол поворота барабана в неподвижной системе координат XOY, рад;

ψ – угол поворота ножа в неподвижной системе координат XOY, рад.

Дифференцируя уравнение (1) по времени, получим выражения для составляющих скорости  и  по координатам центра тяжести ножа:

$\begin{array}{l}{\dot{x}}_c=-r\dot{\theta }\sin \theta -l_c\dot{\psi }\sin \psi ,\\ {\dot{y}}_c=-r\dot{\theta }\cos \theta -l_c\dot{\psi }\cos \psi ,\end{array}$ (2)

где $\dot{\theta }$ – угловая скорость барабана в неподвижной системе координат XOY, с^-1;

$\dot{\psi }$ – угловая скорость ножа в неподвижной системе координат XOY, с^-1.

Скорость V_С центра тяжести ножа в неподвижной системе координат XOY можно рассчитать по выражению:

$v_c=\sqrt{r^2{\dot{\theta }}^2+l_c^2{\dot{\psi }}^2+2r{l}_c\dot{\theta }\dot{\psi }\cos \left(\theta -\psi \right)},$ (3)

где (θ–ψ) – угол отклонения ножа в подвижной системе координат X₁O₁Y₁, рад.

Отклонившись после перерезания лозы, нож без начальной скорости под действием центробежной силы начинает совершать свободные колебания относительно радиального положения. Рациональному по энергозатратам соответствует режим работы, при котором в начале следующего реза нож занимает радиальное положение и его относительное движение совпадает по направлению с вращением барабана.

Подставив в выражение (3) значения ψ и  при совпадении направления вращения барабана и ножа, получим следующую формулу для определения скорости центра тяжести ножа:

$v_c=\sqrt{r^2{\dot{\theta }}^2+l_c^2{\left(\dot{\theta }+\dot{\alpha }\right)}^2+2r{l}_c\dot{\theta }\left(\dot{\theta }+\dot{\alpha }\right)\cos \alpha },$ (4)

где α – угол отклонения ножа от радиального положения, рад;

$\dot{а}$– угловая скорость ножа, с^-1.

С учетом формулы (4) скорость ножа в крайней точке его лезвия В (см. рис. 2) будет равна:

$\begin{array}{l}{V}_B=\sqrt{r^2{\dot{\theta }}^2+\left(l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2\right)\cdot {\left(\dot{\theta }+\dot{\alpha }\right)}^2}\\ \overline{+2r\sqrt{l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2}\cdot \dot{\theta }\left(\dot{\theta }+\dot{\alpha }\right)\cos \alpha },\end{array}$ (5)

где l_н – длина ножа, м;

b – ширина ножа, м.

При α = 0 и  скорость ножа в точке В будет максимальной:

$V_B=\left(r+\sqrt{l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2}\right)\cdot \left(\dot{\theta }-\dot{\alpha }\right).$ (6)

По формуле (6) можно определить максимальную линейную скорость точки В ножа с шарнирным креплением, при которой достигается наиболее рациональное использование динамики барабана при измельчении лозы, не требующее дополнительных энергозатрат со стороны привода.

Примем, что в начальный момент времени взаимодействия ножа с лозой угол его отклонения от радиального положения α = 0. Считая, что при перерезании лозы нож расходует свою кинетическую энергию, полностью теряя при этом скорость (V_В = 0), найдем скорость поворота ножа относительно шарнира (точки О):

$\alpha =\frac{\left(r+\sqrt{l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2}\right)}{\sqrt{l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2}}$ (7)

Для измельчения виноградной лозы с минимальными энергозатратами скорость воздействия ножа на лозу должна быть такой, чтобы в начальный момент вызвать разрыв ее волокон по типу хрупкого разрушения, для которого характерны отсутствие пластических деформаций и небольшая разность между пределами текучести и прочности. В этом случае выражение для разрушающей скорости v_p при ударном воздействии ножа на лозу выглядит следующим образом:

$v_p=\mathrm{0,5}{k}_y{C}_{o}t{g}^3\left(k_{\partial }{\gamma }_{ст}\right),$ (8)

где k_у – коэффициент удара, равный соотношению скорости разрушения к критической скорости;

С₀ – скорость распространения упругих (продольных) волн деформации по лозе, м/с;

k_д – коэффициент динамичности, равный отношению динамического угла излома к статическому углу излома;

γ_ст – статический угол излома, град.

Сопоставив выражения (6) и (8), получим условие малоэнергоемкого резания с ударом виноградной лозы шарнирно закрепленными ножами барабана измельчителя:

$\left(r+\sqrt{l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2}\right)\cdot \left(\dot{\theta }-\dot{\alpha }\right)\ge \mathrm{0,5}{k}_y{C}_{o}t{g}^3\left(k_{\partial }{\gamma }_{ст}\right).$ (9)

По экспериментальным данным для одревесневшей виноградной лозы С₀ = 1000 м/с, k_д = 2,75…3,1. Измерения размерных характеристик обрезанных лоз в междурядьях виноградников показали, что их диаметр находится в пределах от 8,8 до 9,3 мм, которому соответствует значение статического угла излома γ_ст = 6,7…8,4°, определенное по экспериментальным данным [8].

Принимая значение коэффициента удара для виноградной лозы k_у = 1,3, по формуле (8) расчетное значение разрушающей скорости v_p = 24…51 м/с (меньшие значения соответствуют большему диаметру лоз).

Расчеты по выражению (9) показывают, что для соблюдения условия малоэнергоемкого резания с ударом виноградной лозы барабаном измельчителя с шарнирно закрепленными ножами, длина ножа должна находиться в пределах l_н = 0,15…0,18 м.

Поворот ножа вокруг шарнира (точки О₁) происходит в том случае, когда момент М_T от действующей на него силы Т сопротивления резанию виноградной лозы лезвием L ножа, выполненным по форме эксцентрической окружности, больше суммы моментов М_F от силы трения F и М_P от окружного усилия P:

$M_T\ge M_F+M_P$, (10)

$M_T=T\sqrt{l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2},$ (11)

$M_F=f{P}_{C}r=f\frac{J{\dot{\theta }}^2}{R_0}r,$ (12)

$M_P=P\cdot R=\frac{N}{\dot{\theta }k}$, (13)

где f – коэффициент трения в шарнире ножа;

P_C – центробежная сила ножа, Н;

J – момент инерции ножа относительно оси шарнира, кг·м²;

R₀ – радиус вращения центра тяжести ножа, м;

R – радиус вращения ножа в точке приложения силы Т, м;

N – мощность, передаваемая на барабан, Вт;

k – число ножей на барабане.

Для нахождения координат X_C и Y_C центра тяжести С и момента инерции J измельчающего ножа была создана его 3D-модель в программе КОМПАС-3D (рис. 3).

 

Рис. 3. 3D-модель измельчающего ножа.

 

Подставив выражения для моментов сил (11), (12) и (13) в неравенство (10) и допустив, что мощность, передаваемая на барабан, равномерно распределяется между его ножами, после преобразований получим выражение для силы сопротивления резанию Т, вызывающей отклонение ножа в сторону, противоположную направлению вращения барабана:

$T\ge \frac{1}{\sqrt{l_{н}^2+\mathrm{0,25}{b}^2}}\left(f\frac{J{\dot{\theta }}^2}{R_0}r+\frac{N}{\dot{\theta }k}\right).$ (14)

По результатам расчетов по выражению (14) построен график зависимости силы Т от числа k ножей на барабане измельчителя (рис. 4), при анализе которого можно увидеть, что с увеличением числа k ножей в пределах конструктивной целесообразности с 28 до 42 сила сопротивления резанию Т обрезков виноградных лоз снижается с 94,7 Н до 79,8 Н. Для оптимизации процесса измельчения установлено среднее значение силы сопротивления резанию Т = 87…89 Н, число ножей на барабане измельчителя в таком случае должно быть k = 32…34. Для дальнейших исследований было принято значение Т не более 89 Н, которому соответствует k≥32.

По приведенному графику (см. рис. 4) можно определить оптимальное число ножей на барабане измельчителя, при котором они будут измельчать виноградные лозы, удовлетворяя условиям минимальной энергоемкости процесса.

 

Рис. 4. График зависимости силы сопротивления резанию Т от числа ножей k на барабане измельчителя.

 

Выражение для кинетической энергии Е_К вращающегося на барабане ножа имеет вид:

$E_K=\frac{J_H{\dot{\theta }}^2}{2},$ (15)

где J_H – момент инерции ножа относительно оси вращения барабана измельчителя, кг·м².

Момент инерции J_H ножа найдем по теореме Гюйгенса-Штейнера:

$J_H=J+m{r}^2$, (16)

где m – масса ножа, кг.

В результате расчетов с использованием выражений (15) и (16) построен график зависимости кинетической энергии Е_К вращающегося на барабане ножа от расстояния r от оси вращения О барабана до оси вращения О₁ ножа (рис. 5), согласно которому с увеличением расстояния r от оси вращения О барабана до оси вращения О₁ ножа в пределах конструктивной целесообразности с 0,05 м до 0,1 м кинетическая энергия ножа возрастает на 109 Дж.

 

Рис. 5. График зависимости кинетической энергии ЕК ножа от расстояния r.

 

Максимальное величина показателя работы разрушения резанием с ударом виноградной лозы диаметром 9,3 мм, определенное опытами на маятниковом копре, составляет А = 12,7 Дж [8]. Считая, что при перерезании лозы вся кинетическая энергия Е_К ножа затрачивается на работу разрушения А, можно определить, что при расстоянии от оси вращения О барабана до оси вращения О₁ ножа r = 0,05 м он может осуществлять до 10 перерезаний лозы диаметром 9,3 мм за один оборот барабана, а при r = 0,1 м – до 18 перерезаний (см. рис. 5).

В полевых испытаниях подборщика-измельчителя виноградной лозы были установлены следующие конструктивные параметры: радиус барабана (R = 0,52 м), масса молотка (m = 0,5 кг), длина молотка (L=0,10 м), количество молотков (k = 32 шт.), количество противорежущих решеток (2 шт.), ширина захвата барабана (1,5 м).

Анализ результатов статистической оценки качества измельчения виноградной лозы показывает, что 90 % ее обрезков имеет длину от 4,5 см до 9,5 см, а среднеарифметическая величина этого показателя составила 7,8 см (рис. 6). Это соответствует параметрам карты требований к машине для подбора и измельчения обрезков лозы в междурядьях (табл. 1).

 

Рис. 6. Гистограмма распределения длины измельченных обрезков лозы.

 

В ходе экспериментальных исследований макетного образца подборщика-измельчителя виноградной лозы в условиях ООО «Кроненталь» установлено, что средняя длина измельченных обрезков в междурядьях шириной 3 м составила 80 мм при полноте подбора лозы 95 %. При отработке режимных технико-технологических параметров (табл. 2) макетного образца машины, благодаря форме режущих элементов ножей, противорезов и серповидных пилонов установлено снижение энергоемкости процесса измельчения в 1,1 раза, по сравнению с ранее разработанными требованиями (см. табл. 1).

 

Табл. 2. Показатели работы подборщика измельчителя виноградной лозы

Наименование	Значение
Частота оборотов вала подборщика	400 об/мин
Частота оборотов барабана измельчителя	2100 об/мин
Длина молотковидного ножа с лезвием по форме эксцентрической окружности, закрепленного шарнирно на барабане	0,15…0,18 м
Рекомендуемая скорость движения агрегата	4,3 км/ч
Производительность машины	1 га/ч
Энергоемкость технологического процесса, кВтЧ	57,8
Полнота подбора	95 %
Средняя длина измельченных обрезков	8,0 см
Технологический просвет для бил подборщика	30…60 мм
Технологический просвет для ножей измельчителя	150…200 мм

 

Кроме того, благодаря использованию в измельчающем устройстве лопаток с цилиндрической формой поверхности, увеличивающих пропускную способность машины, ее производительность увеличилась в 1,4 раза.

Выводы. В результате теоретических исследований процесса измельчения виноградной лозы подборщиком-измельчителем установлена длина молотковидного ножа (l_н = 0,15…0,18 м) с лезвием по форме эксцентрической окружности, закрепленного шарнирно на барабане, обеспечивающего измельчение обрезков виноградной лозы с ударом, что снижает энергоемкость технологической операции.

Рациональное число ножей на барабане исследуемого экспериментального образца измельчителя, при котором обеспечивается условие минимальной энергоемкости процесса измельчения виноградных лоз, по результатам теоретических расчетов k≥32. Установлена зависимость кинетической энергии ножа от расстояния от оси вращения барабана до оси вращения ножа, которую целесообразно использовать при выборе режимов работы измельчающего узла подборщика-измельчителя виноградной лозы.

В производственных испытаниях макетного образца подборщика-измельчителя подготовленного к работе с учетом установленных технических и режимных параметров узла были получены результаты, удовлетворяющие агротехническим требованиям: средняя длина измельченных обрезков в междурядьях шириной 3 м – 80 мм, полнота подбора лозы – 95 %. Производительность машины увеличилась в 1,4 раза, а энергоемкость процесса измельчения снизилась в 1,1 раза.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ.

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Всероссийского национального научно-исследовательского института виноградарства и виноделия «Магарач» РАН.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ.

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ.

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

作者简介

Z. Godzhaev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

编辑信件的主要联系方式.
Email: fic51@mail.ru

доктор технических наук, член-корреспондент РАН

俄罗斯联邦, Moskva

V. Likhovskoy

All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking «Magarach» of the Russian Academy of Sciences

Email: fic51@mail.ru

доктор сельскохозяйственных наук

俄罗斯联邦, Yalta

V. Gorobey

All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking «Magarach» of the Russian Academy of Sciences

Email: fic51@mail.ru

доктор технических наук

俄罗斯联邦, Yalta

V. Moskalevich

V.I. Vernadsky Crimean Federal University – Institute «Agrotechnological Academy»

Email: fic51@mail.ru

кандидат технических наук

俄罗斯联邦, Respublika Krym, Simferopol’

参考

补充文件