Анализ процессов формирования и сохранения прямолинейности лент растений при уборке льна

Полный текст

Введение

Современные условия развития агробизнеса в Нечерноземной зоне России характеризуются сокращением трудоспособного населения на сельских территориях [1]. В начале XXI в. обозначенные условия в совокупности с непопулярностью ручного труда разрушительным образом отразились на отрасли льноводства, так как возделывание и главным образом уборка льна-долгунца являются самыми трудоемкими в ряду основных сельскохозяйственных производств¹. Поэтому понятие «комплексная механизация технологических процессов» приобретает в настоящее время особенную актуальность и первостепенное значение для получения конкурентоспособной льнопродукции [2–4]. Ручной труд должен сводиться лишь к управлению льноуборочными машинами. Для успешной реализации обозначенного требования каждая такая машина при своей работе должна создавать наиболее удобные условия для выполнения последующей механизированной операции [5; 6]. Такие удобства состоят в высоком качестве сформированных и разостланных лент стеблей льна. Прямолинейные ленты без перекосов и сгруживания в них стеблей являются залогом высокопроизводительного использования льноподборщиков с минимальными потерями льнопродукции. Например, многолетние хронометражные наблюдения за работой подборщика-очесывателя ПОЛ-1,5К показывают, что при подборе прямолинейных лент средняя производительность этой машины в час оперативного времени повышается c 0,64 до 0,88 га². Необходимость оправки обусловлена нарушениями прямолинейности с усилением кривизны расстилаемых лент, самопроизвольными переворачиваниями слоя стеблей, различными перекосами и сгруживанием стеблей, приводящими в своей совокупности к невозможности полной механизации уборочных процессов. При уборке льна по двухфазной технологии с применением подборщиков-очесывателей, а также при выполнении последующих механизированных операций по приготовлению льнотресты в поле указанная ситуация усугубляется в большей мере, так как в этих случаях льноподборщики имеют дело с подсушенными, то есть облегченными растениями, а значит и более подверженными влиянию ветровой нагрузки и колебаний машины. Вместе с этим указанные нарушения приводят к частичной или полной потере количества и качества продукции [7–9]. Ученые льноводы установили [10], что большинство таких дефектов возникает на пассивном расстилочном щите льноуборочных машин при бесконтрольном движении массы стеблей, поэтому при организации уборки следует отдавать предпочтение техническим средствам, производящим принудительный расстил стеблей максимально близко к поверхности поля³ [10].

Таким образом, целью работы является повышение качества расстила лент льна при выполнении механизированных уборочных операций.

Обзор литературы

В разные годы было предложено множество технических решений⁴ [11; 12], в ряду которых наиболее проверенным оказалось одноременное устройство для принудительного расстила (УПР) ленты растений [13–15]. Рабочее пространство данного УПР выполнено в виде транспортирующего канала, образованного боковой кромкой плоского расстилочного ремня, имеющей волнообразные выступы, и шарнирно закрепленными жесткими прутками, объединенными в полоз, способный подниматься под воздействием стеблевой массы [15–17]. Такая конструкция реализована в опытных вариантах теребилки-плющилки ТПЛ-4К, подборщика-очесывателя ПОЛ-1,5К и подборщика-оборачивателя ОКП-1,5К, разработанных в Костромской ГСХА с участием ученых и конструкторов Федерального научного центра лубяных культур. Несколько позже, в период с 2004 по 2006 гг., ОАО «Нагорьевская сельхозтехника» оборудовало одноременными УПР 19 льноуборочных комбайнов. Однако в ходе производственных проверок установлено, что жесткие прутки не обеспечивают надежного зажима стеблей по всей длине транспортирующего канала расстилочного устройства при неизбежных изменениях толщины ленты. Вход в такой канал более толстой ленты стеблей вызывает подъем пруткового полоза и увеличение зазора по всей длине устройства. При этом ослабевает зажим перемещающейся по каналу более тонкой ленты, подобранной ранее. Центробежные силы, возникающие в слое стеблей при его расстиле и направленные перпендикулярно к траектории движения [14–16], вызывают смещение или выбрасывание не зажатой части тонкого слоя из канала в направлении перпендикулярном направлению движения агрегата, увеличивая тем самым искривления разостланной ленты. В случае подбора более тонкой ленты, она попадает в увеличенный зазор транспортирующего канала, образованный более толстым слоем стеблей, подобранных ранее, что также не обеспечивает надежного зажима стеблей и вызывает аналогичный предыдущему эффект. Для устранения отмеченных недостатков при транспортировании и оборачивании неравномерных по толщине лент льна прижимные прутки составляются из отдельных малых прутков, консольно закрепленных на балке со смещением каждого прутка относительно соседнего, который является его продолжением [18]. К недостаткам данного устройства можно отнести ограниченную возможность изменения установленного зазора между столом и прутками из-за жесткости прутков.

Материалы и методы

Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи: 1) разработка прижимного устройства, обеспечивающего высокую технологическую надежность одноременного УПР путем равномерного зажима ленты стеблей льна по всей длине транспортирующего канала; 2) оценка влияния модернизированного УПР на сохранение прямолинейности ленты стеблей.

Объектом исследования стал процесс расстила ленты стеблей льна-долгунца; предметом – параметры кривизны ленты стеблей льна-долгунца.

Повысить качество расстила ленты стеблей льна и технологическую надежность одноременного УПР можно путем применения прижимного устройства (рис. 1), выполненного в виде прутков 4, расположенных на дополнительной балке 3 последовательно, друг за другом над всей боковой кромкой 5 расстилочного ремня 6, имеющей волнообразные выступы. При этом каждый прижимной пруток 4 независимо друг от друга присоединен передним концом к дополнительной балке 3 посредством шарнира 2 с возможностью подъема своей прижимной поверхности относительно рабочей поверхности 5 ремня 6 под воздействием перемещаемого слоя растений льна. Прижимная поверхность каждого прутка 4 имеет форму выпуклой кривой, а сила прижатия прутка 4 к рабочей поверхности 5 ремня 6 обеспечивается упругим элементом 1, например, пружиной кручения или резиновой пластиной.

 

Рис.  1.  Схема прижимного устройства для принудительного расстила:
1 – упругий элемент; 2 – шарнир; 3 – дополнительная балка; 4 – прижимной пруток;  5 – рабочая поверхность; 6 – ремень

Fig.  1.  Diagram of the clamping device for controlled spreading:
1 – elastic element; 2 – hinge; 3 – additional beam; 4 – clamping rod; 5 – working surface; 6 – belt

Источник: рисунки 1, 3, 4 составлены авторами статьи.
Source: figures 1, 3, 4 are compiled by the authors of the article.

 

При работе льноуборочной машины лента растений льна после выхода из последнего рабочего органа поступает на вход УПР в транспортирующий канал, образованный боковой кромкой 5 плоского расстилочного ремня 6, имеющей выступы, и прижимными прутками 4. Прижимные поверхности прутков 4 благодаря шарнирному соединению 2 с дополнительной балкой 3 и силам упругой деформации элементов 1 последовательно и надежно прижимают ленту растений льна к рабочей поверхности 5 ремня 6. В таком зажатом состоянии лента растений активно перемещается к поверхности поля. Движение ремня 6 по заданной траектории осуществляется за счет системы шкивов и роликов (на схеме не показаны). Увеличение толщины расстилаемой ленты под прижимной поверхностью первого прутка 4 вызовет его поворот на шарнире 2 с подъемом над поверхностью ремня 5 и увеличением деформации упругого элемента 1, что обеспечит соответствующее возрастание силы прижатия стеблей прутком 4 к поверхности ремня 5. При последующем движении утолщенный участок массы стеблей попадает в зажим следующего прижимного прутка 4. Аналогичным образом описанный процесс повторяется под каждым последующим прутком 4 до выхода стеблей из транспортирующего канала на поверхность поля.

Таким образом, повышение надежности и качества работы расстилочных устройств льноуборочных машин будет обеспечено благодаря надежному зажиму стеблей на всем пути перемещения слоя растений льна транспортирующим каналом к поверхности поля, что позволит формировать и сохранять прямолинейность разостланных лент растений, тем самым повышая производительность льноподборщиков, увеличивая сбор и качество продукции.

Для оценки эффективности технического решения было изготовлено предлагаемое УПР с новым прижимным устройством и смонтировано на подборщик-оборачиватель ОКП-1,5К (рис. 2).

Рис. 2. Подборщик-оборачиватель ОКП-1,5К: а) вид спереди; b) вид на устройство для принудительного расстила

Fig. 2. OKP-1.5K pick-up turner: а) front view; b) view of the device for controlled spreading

Источник: фотографии сделаны А. Н. Зинцовым при полевых экспериментах в 2024 г.
Source: the photos were taken by A. N. Zintsov in 2024 during field experiments.

 

Влияние модернизированного УПР на предмет исследования изучали в сравнении следующих вариантов формирования и расстила ленты стеблей:

1) теребление растений с одновременным очесом семенных коробочек и расстилом стеблей в ленту серийным льноуборочным комбайном ЛК-4А (базовый вариант 1);

2) оборачивание лент стеблей подборщиком-оборачивателем ОКП-1,5К с модернизированным УПР (вариант 2);

3) оборачивание лент стеблей подборщиком-оборачивателем ОКП-1,5К с отключенным прижимным устройством УПР (вариант 3).

Программа экспериментальных исследований предусматривала получение первичной информации в виде последовательностей числовых значений ординат y_к расположения комлевых частей лент стеблей на поверхности поля относительно базовой линии. Замеры производили через каждые 0,5 м на отрезках ленты длиной 25 м в пятикратной повторности. Таким образом, суммарная длина реализации в каждом варианте составила 125 м, то есть 250 значений y_к. Для регистрации ординат y_к использовали нестандартное приспособление (рис. 3), позволяющее производить замеры с заданным шагом. Длина реализаций и шаг дискретизации выбраны на основании предварительных сведений об изучаемом предмете исследования^[5] [7; 17].

 

Рис. 3. Снятие показаний в поле с помощью нестандартного приспособления

Fig. 3. Taking readings in the field using a non-standard device

 

Характеристика слоя стеблей в сформированных лентах представлена в таблице 1.

 

Таблица 1. Характеристика исходного материала

Table 1. Characteristics of the source material

Показатель / Indicator	Значение / Meaning
Сорт льна / Flax variety	Лидер / Leader
Урожайность тресты, т/га / Yield trusts, t/ha	2,78
Густота стеблестоя, ст./м2 / Stem density, art./m2	1 340
Балл полеглости стеблестоя / Stem lodging  score	5,00
Растянутость стеблей в ленте (относительная), % / Lengthiness of flax stems in the strip (relative), %	132
Средняя общая длина растений, см / Average total length of plants, cm	69,25
Влажность стеблей, %: / Humidity of the stems, %: – в ленте свежевытеребленных растений (вариант 1); / in the strip of freshly pulled out flex plants (option 1); – в лентах при оборачивании (варианты 2, 3) / in the strips when turning (options 2, 3)	61,12   21,60

 

Обработку полученных числовых рядов производили методами математической статистики и корреляционно-спектрального анализа с помощью компьютерной программы STATGRAPHICS Plus 5.0 и табличного редактора Microsoft Excel. Вычисляли математические ожидания – m_y, средние квадратические отклонения – σ_y и коэффициенты вариации – V_y⁶. Для описания внутренней структуры изучаемых процессов в пространственной (по длине ленты) и частотной областях применяли корреляционно-спектральный анализ с построением графиков нормированных корреляционных функций – ρ_y(τ) и спектральных плотностей – S_y(ɷ). Далее анализировали в каждом варианте время спада корреляционной функции (интервал корреляции) t₀ и ширину полосы основных частот ɷ_ср. Для оценки степени сохранения прямолинейности обернутых лент по отношению к базовому варианту использовали условный коэффициент, представляющий собой частное от деления интервалов корреляции:

${\mathrm{\phi }}_{\mathrm{1,}n}=\frac{{\tau }_0^n}{{\tau }_0^1},$

где ${\tau }_0^n$– интервал корреляции, м; n – номер варианта расстила ленты стеблей подборщиком-оборачивателем ОКП-1,5К; ${\tau }_0^{\mathrm{1}}$ – интервал корреляции в базовом варианте 1, м.

Результаты исследования

Результаты проведенных исследований (табл. 2) показывают, что ленты стеблей в базовом варианте 1, сформированные льноуборочным комбайном, являются наиболее прямолинейными. Указанный факт обусловлен стойкостью лент свежевытеребленных растений к влияниям ветровой нагрузки и колебаний машины из-за повышенной влажности и массивности стеблевого слоя.

 

Таблица 2. Основные числовые характеристики процессов изменения кривизны лент

Table 2. The main numerical characteristics of the processes of changing the curvature of the tapes

Вариант / Option	ymin, см / cm	ymax, см /cm	my, см /cm	σy, см / cm	Vy, %
1	8,0	36,0	22,42	5,17	23,02
2	6,0	35,0	21,04	6,48	30,83
3	–3,5	40,5	21,64	7,88	36,39

 

Наибольшее расширение диапазона значений ординат y_к наблюдается у лент стеблей, обработанных подборщиком-оборачивателем ОКП-1,5К с отключенным прижимным устройством УПР (вариант 3). Об этом также свидетельствуют максимальные значения среднего квадратичного отклонения σ_y и коэффициента вариации V_y. Менее заметные изменения указанных параметров имеют ленты, обернутые и разостланные с применением усовершенствованного устройства (вариант 2).

Результаты корреляционно-спектрального анализа представлены на рисунке 4 в виде графиков нормированных корреляционных функций r_y(τ) и спектральных плотностей S_y(ω) исследуемых процессов.

Анализ полученных графиков показал, что внутренняя структура процесса расположения ординат y_к комлевых частей лент стеблей также претерпела существенные изменения в результате работы УПР с отключенным прижимным устройством (рис. 4, вариант 3). Самый короткий интервал корреляции τ₀ = 5,0 м свидетельствует о появлении в характере протекания указанного процесса резких и беспорядочных пульсаций ординат y_к, формирование которых обусловлено отсутствием надежного сопровождения ленты льна при движении по расстилочному щиту. При этом подсушенная стеблевая масса легко подвергалась воздействию ветра и колебаний машины, расширяя тем самым границы спектра частот указанных колебаний с ω_ср = 0,512 в базовом варианте 1 до ω_ср = 0,712 м^–1.

Однако прижим ленты льна к активной рабочей поверхности ремня УПР полностью устраняет отмеченные внешние воздействия на процесс расстила (рис. 4, вариант 2). В этом случае сокращение интервала корреляционной связи с τ₀ = 11,0 (базовый вариант 1) до τ₀ = 8,0 м произошло только за счет появления новых низкочастотных колебаний ординат y_к (ω_ср = 0,512...0,608 м^–1), обусловленных траекторией движения льноподборщика.

В результате корреляционно-спектрального анализа установлено, что наибольшее сохранение прямолинейности выявлено у лент стеблей, разостланных с применением усовершенствованного УПР – φ_1,2 = 0,73 (73 %), а отключение прижимного устройства УПР вызвало сохранение указанного параметра всего лишь на уровне φ_1,3 = 0,45 (45 %).

Рис. 4. Графики нормированных корреляционных функций r_y(τ) и спектральных плотностей S_y(ω) исследуемых процессов

Fig. 4. Graphs of normalized correlation functions r_y(τ) and spectral densities S_y(ω) of the studied processes

 

Таким образом, влияние нового прижимного устройства на сохранение прямолинейности ленты стеблей оценивается положительно, что обеспечивает повышение производительности льноподборщиков на 37,5 %, снижение эксплуатационных затрат на 15,2 %, и себестоимости продукции на 10,7 %⁷ [9]. Поэтому для обеспечения более высокого уровня механизации уборочных процессов льноуборочные машины целесообразно оснастить усовершенствованными устройствами для принудительного расстила лент [19].

Обсуждение и заключение

Основной причиной нарушения прямолинейности лент льна является наличие в льноуборочных машинах пассивных расстилочных устройств, поэтому при организации уборки следует применять технические средства, производящие расстил с активным сопровождением ленты максимально близко к поверхности поля. Для реализации указанного требования разработано устройство для принудительного расстила ленты растений, рабочее пространство которого образовано активной боковой кромкой плоского ремня и прижимным устройством в виде прутков, шарнирно закрепленных друг за другом с возможностью подъема своей прижимной поверхности под воздействием перемещаемого слоя растений льна.

Для оценки эффективности нового технического решения предлагаемое прижимное устройство смонтировано на подборщик-оборачиватель ОКП-1,5К. Результаты экспериментальных исследований показывают, что отключение прижимного УПР вызвало неудовлетворительное сохранение прямолинейности обернутых лент всего лишь на уровне ω_1,3 = 0,45 с существенным расширением полосы основных частот с ω_ср = 0,512 до ω_ср = 0,712 м^–1 за счет появления в указанном спектре новых случайных колебаний. Наибольшее сохранение прямолинейности выявлено у лент льна, разостланных с применением усовершенствованного УПР, – φ_1,2 = 0,73, поэтому влияние нового прижимного устройства на сохранение прямолинейности ленты льна оценивается положительно. Данное устройство может обеспечить повышение производительности льноподборщиков, пропорциональное снижение эксплуатационных затрат на единицу наработки и уменьшить себестоимость продукции.

 

¹ Смирнов Н. А., Смирнов С. В., Лобачев А. А. Возможные направления развития технологии уборки льна-долгунца // Инновационные разработки производства и переработки лубяных культур : материалы Междунар. науч.-практ. конф. (19 – 20 мая 2016 г., г. Тверь). Тверь : Тверской государственный университет, 2016. С. 163–166. https://elibrary.ru/xevand; Машинно-технологическое обеспечение возделывания и переработки прядильных культур / Р. А. Ростовцев [и др.] : моногр. М. : Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению АПК, 2020. 156 с. https://elibrary.ru/ehkqkf

² Любимов В. П. Исследование процессов формирования слоя и расстила льносоломы для обоснования рациональной схемы льнорасстилочной машины : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Кострома, 1971. 20 с.

³ Любимов В. П. Исследование процессов формирования слоя и расстила льносоломы для обоснования рациональной схемы льнорасстилочной машины.

⁴ Толстушко М. М., Хайліс Г. А., Толстушко Н. О. Розстилальні пристрої льонозбиральних машин : моногр. Луцьк : РВВ Луцького НТУ, 2014. 160 с.

⁵ Стяжкин В. И. Исследование динамики навесного подборщика тресты ПТН-1 с целью улучшения показателей его рабочего процесса : автореф. дис. … канд. техн. наук. Л., 1982.

⁶ Горлач Б. А. Теория вероятностей и математическая статистика : учебн. пособие для вузов. СПб. : Лань, 2021. 320. с. URL: https://e.lanbook.com/book/168478 (дата обращения: 12.05.2024); Кулаичев А. П. Методы и средства комплексного статистического анализа данных : учебн. пособие / 5-е изд., перераб. и доп. М. : НИЦ ИНФРА-М, 2022. 484 с. URL: https://znanium.com/catalog/product/1815604 (дата обращения: 29.05.2024).

⁷ Зинцов А. Н., Смирнов Н. А., Соколов В. Н. Результаты полевых испытаний принудительного расстила ленты в машинах костромского комплекса для раздельной уборки льна // Высокоэффективные технологии производства и переработки льна : материалы Междунар. науч.-практ. конф. Вологда, 2002. С. 226–231.

Об авторах

Александр Николаевич Зинцов

Костромская государственная сельскохозяйственная академия

Email: zintsov_a@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3443-2015
SPIN-код: 2073-8846
ResearcherId: ADY-1834-2022

доктор технических наук, профессор кафедры тракторов и автомобилей

Россия, 156530, п. Караваево, ул. Учебный городок, д. 34

Михаил Михайлович Ковалев

Федеральный научный центр лубяных культур

Автор, ответственный за переписку.
Email: m.kovalev@fnclk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2424-4205
SPIN-код: 6189-8619
ResearcherId: AAT-4775-2021

доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории Агроинженерных технологий

Россия, 170041, г. Тверь, Комсомольский пр-т, д. 17/56

Геннадий Анатольевич Перов

Федеральный научный центр лубяных культур

Email: g.perov@fnclk.ru
ORCID iD: 0000-0002-5830-6817
SPIN-код: 4478-4991
ResearcherId: AAB-5326-2022

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории Агроинженерных технологий

Россия, 170041, г. Тверь, Комсомольский пр-т, д. 17/56

Список литературы

Дополнительные файлы