Разработка механико-математических моделей семян сельскохозяйственных культур, убираемых зернокомбайнами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Маяцкая, Ирина Александровна

• Маяцкая, Ирина Александровна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маяцкая, Ирина Александровна

ВВЕДЕНИЕ

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ, КАК ОБЪЕКТОВ, ПОДВЕРГАЕМЫХ ВОЗДЕЙСТВИЮ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬХОЗМАШИН

1.1. Моделирование растительных объектов

1.2. Моделирование семян сельскохозяйственных культур

1.3. Цели и задачи исследования

2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЕМЯН И ИХ «ОПОРНЫЕ» ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОДСТРУКТУРЫ

2.1. Основные типы поверхностей семян

2.2. Выбор «опорных» геометрических подструктур

2.3. Аналитическая аппроксимация продольных опорных сечений

2.4. Аналитическая аппроксимация поперечных опорных сечений

2.5. Выводы

3. МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОСНОВНЫХ ТИПОВ СЕМЯН

3.1. Эллипсоидообразные модели

3.2. Веретенообразные модели

3.3. Чечевицеообразная модель

3.4. Фасолеобразная модель

3.5. Пирамидообразные модели

3.6. Шарообразная модель

3.7. Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Программа и методика экспериментальных исследований

4.2. Методика расчета геометрических параметров эквивалентных моделей

МОДЕЛИ СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР, УБИРАЕМЫХ ЗЕРНОКОМБАЙНАМИ

Модели зерновок основных хлебных злаков Модели семян гречихи

Модели семян некоторых зернобобовых культур Модели семян некоторых масличных культур Модели семян некоторых злаковых культур Модели семян некоторых бобовых культур Выводы

ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Удар зерновки пшеницы о поверхности различных рабочих органов сельскохозяйственных машин

Определение миделева сечения зерновки пшеницы и уточнение значения его площади

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка механико-математических моделей семян сельскохозяйственных культур, убираемых зернокомбайнами»

Элементы мелкого зернового вороха в исследованиях рассматриваются обычно в виде материальных точек, перемещающихся по шероховатой поверхности или в воздушной среде свойства [1], [2], [3]. Более сложная модель зерна в виде шара используется, например, при расчете размера отверстий решет с учетом движения зерна вдоль них [4]. Переход к модели зерна в виде эллипсоида вращения позволит значительно повысить точность расчетов аэродинамических процессов [5]. Отсутствие математических методов и средств вычислительной техники не позволяло раньше построить более сложные модели семян, поверхность которых близка к реальному объекту.

Современные механико-математические разработки и возможности ЭВМ позволяют поднять исследования технологических процессов в механизации сельхозпроизводства на качественно новую ступень [6], [7], [8], [9]. Но для этого прежде всего требуется построить модели объектов переработки, т.е. сельхозпродуктов, более глубоко и всесторонне изучить их физико-механические свойства [10], [11], [12]. Важность таких исследований на данном этапе признана в международном масштабе - с 80-х годов регулярно проводятся международные научные конференции, специально посвященные физико-механическим свойствам сельхозматериалов [13], [14], [15], [16].

Развитие вычислительной техники обеспечило качественно новую базу для моделирования технологических процессов во всех отраслях науки и техники. Принципиально новые возможности дают современные ЭВМ и для разработки систем автоматического регулирования и управления, особенно там, где это связано с роботизацией, распознаванием или идентификацией объектов [17], [18], [19]. Параллельно с указанным идет совершенствование самой техники, создаются все более сложные конст5 рукции и их комплексы. Все эти тенденции относятся к механизации сельскохозяйственного производства [20], [21].

Так, современные зерноуборочные комбайны типа "Дон-1500"^выполняют комплекс процессов переработки исходной хлебной массы при помощи большого количества различных рабочих органов: режущий аппарат, мотовило, транспортеры, битеры, молотильный аппарат, соломотряс, стрясная доска, верхнее и нижнее решета, вентилятор и ряд других устройств [22], [23]. В этих рабочих органах заложены возможности регулировок многих параметров, а само название рабочих органов говорит о комплексе одновременно выполняемых технологических процессов: резании, обмолоте, сепарации, транспортировании [3], [24], [25], [26].

Вместе с совершенствованием комбайнов ведутся работы по поиску, созданию и использованию принципиально новых конструктивно-технологических схем обмолота и сепарации [27], [28]. Трудоемкие работы, связанные с проведением большого объема натурных и лабораторных исследований технологических процессов и выполняющих их рабочих органов в целях определения оптимальных параметров, можно заменить их моделированием на ЭВМ, что позволяет сократить сроки проектирования и снизить затраты при создании этих конструкций [29]. Такие исследования позволяют определить наиболее оптимальные размеры и режимы работы рабочих органов сельхозмашин, тем самым сократив объемы экспериментальной проверки натурных образцов.

Не менее сложные технологические процессы и рабочие органы присущи и другой сельскохозяйственной технике, особенно для уборки корнеклубнеплодов, фруктов, овощей [30], [31], [32]. Можно строить модели объектов самых разных культур: яблок, помидор, картофеля и т.д. [33]. Эти модели используются при анализе отдельных технологических процесI сов и соответствующих рабочих органов. И в каждом случае это "узкий" вопрос. Однако есть одна из сельхозмашин, а именно, зерноуборочный 6 комбайн, которая предназначена для уборки широкого круга сельскохозяйственных культур и выделять из них семена в качестве основного конечного продукта. Зерноуборочный комбайн обрабатывает следующие сельхозкультуры: хлебные злаки, зернобобовые культуры, масличные культуры, семенники злаковых и бобовых трав. При этом выполняются одинаковые процессы и используются в основном те же рабочие органы. Аналогичное можно отнести и к зерновым сеяжам. Для моделирования этих процессов и рабочих органов необходимо иметь модели всех указанных культур [34]. Следовательно, целесообразно рассмотреть модели семян всех этих культур в одном исследовании.

Зерно является одним из основных продуктов сельского хозяйства России и ежегодный его сбор близок к 85 млн. т [35]. Следовательно, через сепарирующие устройства зернокомбайнов пропускается большая масса мелкого зернового вороха, откуда видно сколь существенно качество работы сепарирующих устройств: потеря ими даже 1% - это потеря около 850тыс т зерна. Если иметь возможность управлять процессом сепарации зернового вороха и уметь удерживать его в оптимальном режиме, то значительно сократятся потери зерна. Возможно, необходим поиск сепарирующих устройств, работающих на новых принципах, а именно, принципах идентификации компонентов зернового вороха. Для этого нужны современные системы автоматического регулирования (САР) с датчиками, способными идентифицировать эти компоненты [36], [37], [38]. Работа существующих систем автоматического регулирования с оптико-электронными датчиками основана на сопоставлении реального образа объектов с его моделью в памяти бортового компьютера, при этом, базой идентификации должна являться геометрическая модель объекта [39], [40], [41], [42]. Таким образом, возникает еще одна, принципиально новая потребность в разработке моделей семян. 7

Все сказанное выше свидетельствует об актуальности исследований, направленных на разработку моделей семян основных культур, убираемых зернокомбайнами. Планируемые исследования обеспечат снижение трудозатрат при разработке новых и модернизации существующих сельхозмашин за счет сокращения объемов экспериментальных исследований, а также позволят повысить точность расчетов параметров технологических процессов и соответствующих рабочих органов. 8

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Маяцкая, Ирина Александровна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:

1. В настоящее время в качестве механико-математической модели указанных семян в большинстве случаев принимается материальная точка или шар с эквивалентным объемом, что дает не только количественное, но и качественное отличие результатов от реально наблюдаемых. Вместе с тем, опыт использования несколько более сложной модели, например, зерновки пшеницы в виде эллипсоида вращения, показал возможность повышения точности расчетов процессов аэродинамического характера на 19.23 %.

2. Разработана методика построения уравнений поверхности моделей семян с использованием поперечных и продольных «опорных» сечений. Проведена аналитическая аппроксимация контуров этих сечений и предложены функции, которые целесообразно использовать при построении уравнений поверхностей моделей исследуемых семян.

3. Построены аналитические структуры, описывающие форму поверхностей основных типов семян: шарообразных, с выпуклой спинкой и явно выраженной бороздкой (эллипсоидообразных и веретенообразных), чечевицеобразных, фасолеобразных и пирамидообразных.

4. Для всех построенных вариантов основных типов моделей при допущении однородности плотности материала семян найдены уравнения для расчета объема, координат центра масс и моментов инерции относительно осей, лежащих на пересечении плоскостей опорных сечений.

5. Получены уравнения поверхности эквивалентных моделей для рассматриваемых культур (всего 29 сортов) на основе предложенной методики построения модели с параметрами, обеспечивающими эквивалентность объёма исходным объектам, как это принято в случае моделей шарообразной формы. Используя принцип минимальности дисперсии от

182 клонений выбирается конкретный вариант модели для каждого сорта семян.

6. Переход к разработанным моделям дает не только более точную количественную, но и качественную оценку ударного взаимодействия семян с рабочими органами сельхозмашин. Получены формулы для определения скорости центра масс и угловой скорости в момент окончания удара, угла отражения при рассмотрении прямого и косого внецентраль-ного удара зерновки пшеницы, имеющей форму эллипсоида вращения, по поверхности рабочих органов сельхозмашин.

7. Найдена зависимость контура и площади миделева сечения от положения зерна в пространстве, что влияет на величину аэродинамического сопротивления.

Разработанные в настоящем исследовании механико-математические модели семян открывают качественно новые возможности компьютерного моделирования сложных технологических процессов, реализуемых рабочими органами зернокомбайнов, зерноочистительных машин, сеялок и другой сельскохозяйственной техники. Кроме того, результаты исследований могут быть использованы в дальнейшем развитии теорий движения зерновки в воздушном потоке с учетом ее нешарообразной формы и сыпучих сред в приложении к зерновой массе, где до настоящего времени в качестве базовой используется шарообразная модель зерна.

183

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маяцкая, Ирина Александровна, 1999 год

1. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. / Листопад Г.Е., Демидов Г.К., Зонов Б.Д. и др. М.: Агропромиздат, 1986. - 688с.

2. Алферов С.А. Воздушно-решетные очистки зерноуборочных комбайнов. -М.: Агропромиздат, 1987. 159с.

3. Василенко П.М. Теория движения частицы по шероховатым поверхностям сельскохозяйственных машин. К.: Изд.УАСХН, 1960. - 283с.

4. Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин./ Е.С. Босой. -М.: Машиностроение, 1977. 568с.

5. Злочевский В.Л. Интенсификация процесса аэродинамического разделения зерновых материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. Новосибирск, 1986.

6. Математическое моделирование./ Дж. Эндрюс, Р. Мак-Лоун. М.: Мир, 1979.- 278с.

7. Применение математических методов и ЭВМ. Вычислительные методы проектирования оптимальных конструкций./ А.Н.Останин, В.А.Гугля, Н.Н.Гурский и др. Мн.: Выш. шк., 1989. - 279с.

8. Wellstead P.E. Introduction to Physical System Modeling. Academic Press, 1979.

9. Фурунжиев Р.И. Вычислительная техника и ее применение. Мн.: Высш. шк., 1984.-487с.

10. Разработка динамических моделей теневых образов семян зерновых и зернобобовых культур: Отчет о НИР (заключительный) / РИАТМ; Фомин В.И., Маяцкая И.А. № ГР 01.9.30007374, инв. № 02.9.50004012. Ростов-на-Дону, 1994. - 112с.

11. Fomin V.I., Proydak N.I. The effect of physicomechanical properties of brown juice on selection of its processing technology. // Physical Properties of agricultural materials. Hemisphere Pub.Co., Washington, 1987.

12. Fomin V.I. Deformation of Plant material in the chamber of a plunger type extruder. // Proceeding of 4th International Conference PRAM. Rostok, DDR, 1989.

13. Fomin V.I., Mayatsckaya I. A., Blazheev V.Y. Models of lucerne microstructures. // Green Vegetation Fractionation: Proceeding of the Fifth International Congress of Leaf Protein Research «LEAFPRO-96», Rostov-on-Don, DSTU Press, 1996.

14. Fomin V. I. Energy requirements of the destruction of juice-filled vegetable microstructures. // Green Vegetation Fractionation: Proceeding of the Fifth International Congress of Leaf Protein Research «LEAFPRO-96», Rostov-on-Don, DSTU Press, 1996.

15. Banks S.P. Control systems engineering: modeling and microprocessor implementation. Prentice - Hall International, 1986. - 614p.

16. Горелик A.JI., Скрипкин B.A. Методы распознавания. М.: Высш. шк., 1984.-208с.

17. Путянин Е.П., Аверин С.И. Обработка изображений в робототехнике. -М.: Машиностроение. 1990. - 320с.

18. Бородин И.Ф. Недилько Н.М. Автоматизация технологических процессов. М.: Агропромиздат, 1986. - 368с.

19. Ксеневич П.П., Трофимов В.А., Хохлов А.И., Хорошенков В.К. Концепция автоматизации мобильной сельскохозяйственной техники.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, № 1, 1990. с. 2-6.185

20. Зерноуборочные комбайны./ Серый Г.Ф., Косилов Н.И., Ярмашев Ю.Н., Русланов А.И. М.: Агропромиздат, 1986. - 248с.

21. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины: элементы теории рабочих процессов, расчет регулировочных параметров и режимоб работы. М.: Колос, 1980. - 671с.

22. Карпенко А.Н., Халанский В.М. Сельскохозяйственные машины. М.: Агропромиздат, 1989. - 527с.

23. Василенко И.Ф. Теория режущих аппаратов жатвенных машин.// Исследование режущих аппаратов уборочных машин. Сб. науч. тр. ВИСХОМа, № 5, ОНТИ, 1937. с.7-114.

24. Панов A.A. Технология послеуборочной обработки семян зерновых культур. М.: Колос, 1981. 144с.

25. Сакун В.А. Закономерности развития мобильной с.х. техники. М.: Колос, 1994.- 159с.

26. Алферов С.А., Калошин А.И., Угаров А.Д. Как работает зерноуборочный комбайн. М.: Машиностроение, 1981. - 191с.

27. Старовойтов В.И., Башилов A.M., Андержанов АЛ. Автоматизация контроля качества картофеля, овощей и плодов. М.: Агропромиздат, 1987.- 197с.

28. Варламов Г.П. Машины для уборки фруктов. М.: Машиностроение, 1978.- 216с.

29. Петров Г.Д., Бекетов П.В. Механизация возделывания и уборки овощей. -М.: Колос, 1983. 287с.186

30. Фомин В.И. Криволинейные многоугольники и возможность их приложения к моделированию растительных объектов.// Научные труды РИАТМа, вып. 1, Ростов-на-Дону, 1994.-с.63-73.

31. Фомин В.И., Маяцкая И.А. Смирнов Ю.В. Модели зерновок хлебных злаков .//Научные труды РИАТМа, вып.1, Ростов-на-Дону, 1994.- с.57-63.

32. Российский статистический ежегодник: Стат. сб. М.: Госкомстат России, 1997.- 749с.

33. Автоматика и автоматизация мобильных с/х машин./ Г.Р. Носов. К.: Вищашк., 1984. - 248с.

34. Техническое зрение роботов./ Ю.Г. Якушенков. М.: Машиностроение, 1990.- 272с.

35. Гельфенбейн С.П., Волчанов В.А. Электроника и автоматика в мобильных сельхозмашинах. М.: Агропроиздат, 1986. - 382с.

36. Васильев В.И. Распознающие системы. К.: Наук, думка, 1983. - 421с.

37. Фомин В.И., Маяцкая И.А. К вопросу идентификации компонентов мелкого зернового вороха. // Научные труды РИАТМа, вып. 1, Ростов-на-Дону, 1994. с.14-19.

38. Artwick В.A. Applied Concepts in Microcomputer Graphics. Prentice - Hall International, 1984. - 374p.

39. Советов Б.Я. Математическое моделирование. M.: Высш. шк., 1985. -271с.

40. Эксперимент, модель, теория. М.: Наука, 1982. -333с.

41. Раздорский В.Ф. Архитектоника растений. М.: Советская наука, 1955. -220с.187

42. Саркисян Г.М. Совершенствование несущих конструкций сельскохозяйственных машин на основе использования бионических принципов. Автореферат диссертации на соискании уч.ст. докт. техн. наук, Ереван, 1992.

43. Саркисян Г.М. Использование принципа строения стеблей при конструировании сельхозмашин, № 5, 1992. с. 21-22.

44. Попова Е.П. Микроструктура зерна и семян. М.: Колос, 1979. - 224с.

45. Ляпунов A.A., Багриновская Г.П. О методологических вопросах математической биологии. // Математическое моделирование в биологии., Сб. ст. М.: Наука, 1975. - с. 5-18.

46. Физико-механические свойства растений, почвы и удобрений. / Воронюк Б.А., Пьянков А.И., Мильцева Л.В. и др. М.: Колос, 1970. - 424с.

47. Шполянская А.Л. Структурно-механические свойства зерна пшеницы. // Коллоидный журнал, т. XIV, 1952, №2, с. 124-135.

48. Машины для послеуборочной поточной обработки семян. Теория и расчет машин, Технология и автоматизация процессов. / З.Л. Тиц и др. -М.: Машиностроение, 1967. 447с.

49. Долгов И.А., Зельцерман И.М. Машины и орудия для механизации сеноуборочных работ. Теория, расчет и конструкция. М.: Машгиз, 1963. -344с.

50. Особов В.И., Васильев Г.К., Голяновский A.B. Машины и оборудование для уплотнения сеносоломистых материалов. М.: Машиностроение, 1974. -231с.

51. Карпенко А.Н. Экспериментальное исследование режущего аппарата уборочных машин. / Теория, конструкция и производство сельскохозяйственных машин. Под ред. В.П. Горячкина, т.2, 1936. -136с.

52. Фомин В.И. Влажное фракционирование зеленых кормов. Ростов-на-Дону: Изд. РГУ, 1978. - 155с.

53. Растениеводство. / П.П. Вавилов, В.В. Гриценко, B.C. Кузнецов и др. М.: Колос, 1979.-519с.188

54. Селекция и семеноводство многолетних трав. М.: Колос, 1978. - 303с.

55. Казаков Е.Д. Зерноведение с основами растениеводства. М.: Колос, 1983.- 352 с.

56. Kruse J., Krutz G.W., Huggins L.F. Computer Controls for the Combine. // Agr. Eng., Vol. 64, Feb., 1983, p.7-9.

57. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. В 4-х томах, т. I/ М.И. Клецкин. М.: Машиностроение, 1967. - 722с.

58. Летошнев М.Н. Сельскохозяйственные машины. Теория, расчет, проектирование и испытания. М.: -Л.: Сельхозгиз, 1955. - 764с.

59. Пугачев А.Н. Повреждение зерна машинами. М.: Колос, 1976. - 319с.

60. Миркин Б.Г. Анализ качественных признаков. (Математические модели и методы). М.: Статистика, 1976. - 166с.

61. Статистические методы обработки эмпирических данных. Рекомендации. М.: Изд-во стандартов, 1978. - 232с.

62. Лавренчик В.Н. Постановка физического эксперимента и статистическая обработка его результатов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 272с.

63. Смирнов Н.В., Дудин-Бурковский И.В. Теория вероятностей и математическая статистика в механике. М.: Физматгиз, 1965. - 554с.

64. Савелов A.A. Плоские кривые. Систематика, свойства, применения. Справочное руководство. / А.П. Норден. М.: Физматгиз, 1960. - 293с.

65. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1973. - 224с.

66. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. М.: Наука, 1981.-800с.

67. Градштейн И.С., Рыжик И.И. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. - 1108с.

68. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы. / Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш. М.: Наука, 1977. - 342с.

69. Справочник по специальным функциям с формулами. / М. Абрамович, И. Стиган. М.: Наука, 1979. - 832с.189

70. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Дополнительные главы. М.: Наука, 1986. - 800с.

71. Форсайт Дж. Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1986. - 383с.

72. Алиев Т.А. Экспериментальный анализ. М.: Машиностроение, 1991. -272с.

73. Гаузнер С.И., Кивилис С.С., Осокина А.П., Павловский А.Н. Измерение массы, объема и плотности. М.: Изд. стандартов, 1972. - 623с.

74. Лакин Г. Ф. Биометрия. -М.: Высш. шк., 1973. 343с.

75. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. М.: Пищевая промышленность, 1979. - 200с.

76. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1980. - 610с.

77. Яблонский A.A. Курс теоретической механики. Ч II. Динамика. М.: Высш. шк., 1984. - 423с.

78. Пановко Я.Г. Введение в теорию удара. М.: Наука, 1977. - 224с.

79. Гольдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел. М.: Стройиздат, 1965. - 448с.

80. Кильчевский H.A. Динамическое контактное сжатие твердых тел. Удар. -К.: Наук. Думка. 1976. -319с.

81. Плявниекс В.Ю. Расчет косого удара о препятствие. // Вопросы динамики и прочности, вып. 18, Рига: Зинатие, 1969. с. 87-109.

82. Голубев Ю.Ф. Основы теоретической механики. М.: Изд-во МГУ, 1992. -525с.

83. Ильин В.А., Поздняк З.Г, Аналитическая геометрия. М.: Наука, 1988. -224с.190