СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ СВЯЗИ ЗЕРНА С РАСТЕНИЯМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING POWER OF CONNECTION OF GRAIN WITH CROP PLANTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к сельскохозяйственному производству и машиностроению и могут быть использованы как при создании новых уборочных технологических процессов и сельскохозяйственных машин, а также для улучшения технологических показателей существующих уборочных машин.
Известен способ и аналог для определения силы связи зерна с сельскохозяйственным растением (Соколов А.Ф. Изучение физико-механических свойств зерновых культур. Физико-механические свойства с.-х. растений как основания для проектирования с.-х. машин. Труды лаборатории технологических процессов ВИСХОМ. Москва, 1939). Способ заключается в том, что от стеблей отрезались колосья, которые распределялись по классам своей длины, после чего поступали на центрифугирование. Опыт начинался с 1000 оборотов диска в минуту, после чего из всех стаканчиков отбиралось, сосчитывалось и взвешивалось выделенное из колосков зерно, колосья вставлялись обратно и подвергались центрифугированию на 2000 оборотах, потом на 3000 оборотах и т.д. Центрифугирование велось до полного вымолота. Сила связи зерна с колосом подсчитывалась по среднему радиусу для каждого колоса (радиус диска центрифуги плюс половина длины колоса) и среднему весу одного зерна.
Устройство для осуществления данного способа включает в себя корпус с установленным внутри редуктором. На вертикальном валу редуктора закреплен диск. На диске шарнирно установлены двенадцать стаканчиков, в которых с помощью зажимов размещаются колосья. Вращение диску сообщается электродвигателем через редуктор и плоскоременную передачу. Частота вращения диска измеряется механическим тахометром.
Недостатками известного способа и устройства являются: 1) вращение колоса вместе с ротором центрифуги происходит в воздушной среде, что обуславливает действие на растение аэродинамических сил сопротивления воздуха, так как конструкция стаканчиков, внутри которых размещается колос, не обеспечивает полной защиты растения от набегающего потока воздуха; 2) отсутствие технических средств контроля и измерений над вибрациями диска центрифуги; 3) отсутствие технических средств измерений радиуса вращения каждого зерна в растении; 4) отсутствие технических средств контроля над очередностью выделения зерна из растения; 5) отсутствие технических средств контроля и измерения параметров вращения ротора центрифуги в переходных режимах (разгон, остановка, изменение частоты вращения); 6) отсутствие технических средств контроля и измерения параметров воздушной массы внутри центрифуги; 7) измерения проводятся для заранее определенных частот вращения диска центрифуги, что приводит к «ступенчатому» характеру измерений и более высокой погрешности эксперимента. Все это не позволяет качественно, с более высоким уровнем достоверности, определить силу связи зерна с растением.
Известны способ и центрифуга для определения силы связи зерна с сельскохозяйственным растением (патент RU №2176932 от 17.01.2000, МПК B02B 3/00), взятые в качестве прототипа. Способ определения усилий вымолота семян сельскохозяйственных культур заключается в том, что плодоэлемент фиксируют в гнездах держателя ротора центрифуги и подвергают силовому воздействию путем вращения. Контроль вымолота семян ведут визуально, а ускорение вращения ротора центрифуги осуществляют непрерывно до окончательного отрыва всех семян, порядок расположения которых в накопителе после завершения опыта соответствует очередности их отделения от плодоэлемента, после чего производят расчет усилий вымолота, имея дифференцированные показатели массы семян и соответствующей частоты оборотов ротора при отрыве каждого зерна.
Устройство для осуществления данного способа определения усилий вымолота семян сельскохозяйственных культур, содержащее центрифугу с первичным магнитоиндукционным преобразователем импульсов, связанным со стробоскопическим тахометром, кроме того, снабжено улавливателем, установленным в рабочей камере центрифуги и выполненным в виде двух концентрично расположенных цилиндров, связанных основанием и эллипсным кольцом, закрепленным под углом к горизонтальной плоскости и имеющим в нижней части отверстие, в котором установлен накопитель в виде съемной трубки с внутренним диаметром, равным максимальному размеру зерна, а в верхней зоне улавливателя установлен съемный отражатель в виде усеченного полого конуса, внутренняя поверхность которого покрыта поролоном.
Недостатками известного способа и устройства являются: 1) вращение растения (колоса, стручка) вместе с ротором центрифуги происходит в воздушной среде, что обуславливает действие на растение аэродинамических сил сопротивления воздуха; 2) отсутствие технических средств контроля и измерений над вибрациями ротора (диска) центрифуги; 3) отсутствие технических средств измерений радиуса вращения растения с зерном; 4) отсутствие технических средств контроля над очередностью выделения зерна из растения; 5) отсутствие технических средств контроля и измерения параметров вращения ротора центрифуги в переходных режимах (разгон, остановка, изменение частоты вращения); 6) отсутствие технических средств контроля и измерения параметров воздушной массы внутри центрифуги. Все это не позволяет качественно, с более высоким уровнем достоверности, определить силу связи зерна с растением.
Целью изобретения является повышение качества измерений и получение достоверных сведений о силе связи зерна с сельскохозяйственным растением и на основе полученных экспериментальных данных создать адекватную математическую модель растения злаковой культуры, что позволит оптимизировать конструктивные параметры сельскохозяйственных машин и технологических процессов.
Поставленная цель достигается новыми способом и устройством для определения силы связи зерна с растениями сельскохозяйственных культур. Способ заключается в том, что растение с зерном подвергают силовому воздействию путем вращения. Растение с зерном помещают в камеру-носитель, находящуюся на роторе центрифуги, закрытую защитным прозрачным материалом и представляющую собой замкнутое воздушное пространство. Визуальный и измерительный контроль ведут с помощью системы видеонаблюдения. Перед началом измерений на тахометре выставляют предельную частоту вращения ротора центрифуги. С началом вращения ротора автоматически запускают электронный секундомер, производят видеозапись состояния образца растения; по достижении предельной частоты вращения останавливают отсчет времени секундомером, с помощью виброанализатора измеряют виброперемещение ротора в функции времени. Останавливают вращение ротора, по показаниям секундомера вычисляют величину среднего углового ускорения ротора, по показаниям виброанализатора вычисляют величину и направление вектора виброускорения ротора, по видеозаписи испытаний с помощью координатной сетки измеряют радиус вращения каждого зерна и последовательность отрыва семян от растения. По видеозаписи испытаний, учитывая равномерность разгона ротора центрифуги, синхронность процессов видеорегистрации, работы электронного секундомера и тахометра, определяют угловую скорость вращения ротора центрифуги для моментов времени отрыва каждого зерна, измеряют массу зерна и по измеренным величинам: угловой скорости, угловому ускорению, виброускорению, радиусу вращения отдельных зерен и их массе, вычисляют величину силы связи зерна с растением.
Устройство для осуществления нового способа определения силы связи зерна с растениями сельскохозяйственных культур содержит центрифугу с установленным в ней на оси электродвигателя ротором. Центрифуга состоит из двух корпусов: наружного и расположенного в нем внутреннего корпуса, в котором установлены несущая рама для крепления электродвигателя и ротор, содержащий камеры-носители с координатной сеткой на дне камеры для размещения образцов растений с зерном, закрытые прозрачным материалом для создания замкнутого воздушного пространства; измерительную систему, включающую в себя системы видеокамер, вибродатчиков для измерения параметров виброколебаний ротора, термодатчиков и датчиков влажности для контроля над параметрами воздушной среды в центрифуге; блок с регистрирующими приборами: видеорегистратором, виброанализатором, термогигрометром, расположенный на внешнем корпусе центрифуги.
Система видеокамер установлена на пластине, закрепленной на стойках к камерам-носителям ротора центрифуги.
Система вибродатчиков неподвижно установлена на оси ротора посредством подшипникового узла.
В результате проведенных патентных исследований автором не обнаружены идентичные технические решения заявленным способу и устройству, что позволяет сделать вывод о соответствии технических решений критерию «новизна». Предлагаемый способ и устройство содержат новые признаки, такие как: исследования ведут с размещением образца растения в замкнутом пространстве, для чего на роторе центрифуги закреплены камеры-носители, закрытые защитным прозрачным материалом, визуальный и измерительный контроль ведут с помощью системы видеонаблюдения с последовательностью вышеперечисленных операций с помощью установленных в устройстве измерительных приборов, что позволяет сделать вывод о том, что перечисленные существенные признаки неизвестны и не следуют явным образом из уровня техники, т.е. неизвестна причинно-следственная связь новых признаков для достижения положительного результата. Это позволяет автору сделать вывод о соответствии заявленных технических решений критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлен трехмерный чертеж основного блока центрифуги в разрезе. На фиг.2 представлен трехмерный чертеж ротора центрифуги с камерами-носителями и узлом для виброизмерений. На фиг.3. представлен трехмерный чертеж ротора центрифуги с камерами-носителями и узлом для виброизмерений в разрезе. Основной блок центрифуги (фиг.1) состоит из двух корпусов: наружного 6 и установленного в нем внутреннего корпуса 2, электродвигателя 3, закрепленного на несущей раме 4, на которой также неподвижно зафиксирован внутренний корпус 2 центрифуги. Наружный корпус 6 представляет собой замкнутый герметичный металлический ящик с наружными ребрами и возможностью доступа к ротору центрифуги через верхнее окно. Окно доступа в центрифугу закрывается при необходимости специальной крышкой. Фиксация расстояния между двумя корпусами центрифуги произведена с помощью четырех угловых и одного донного амортизаторов 5. На валу электродвигателя 3 расположен ротор 1 центрифуги, зафиксированный шпоночным соединением. К ротору центрифуги 1, посредством подшипникового узла, состоящего из двух роликовых радиально-упорных подшипников 8 (фиг.2, 3), присоединен узел 9 для виброизмерений. Подшипниковый узел изготовлен и закреплен с узлом 9 для виброизмерений и ротором 1 таким образом, что при вращении ротора 1 центрифуги узел 9 для виброизмерений может оставаться неподвижным (подшипники компенсируют вращательное движение ротора). При этом тип используемых подшипников 8 позволяет передавать на виброузел осевые и радиальные колебания ротора 1 центрифуги. Такое конструктивное исполнение узла вибродатчиков позволяет измерить три независимых проекции вектора виброперемещения ротора в функции времени, что позволяет оценить влияние виброускорений на величину силы инерции, действующей на образец растения. Верхняя часть узла для виброизмерений 9, через четыре стержня-стойки 10 и плашку 11, жестко соединена с перекладиной 12 (фиг.1), закрепленной на внутреннем корпусе 2 центрифуги. На плашке перекладины размещен дискретный датчик, который по фишкам 13 (фиг.2, 3), установленным на роторе 1, вырабатывает и передает тахометру электрический сигнал, содержащий информацию о значении частоты вращения ротора 1. На роторе неподвижно закреплены камеры-носители 7 для размещения образцов растения. Камеры выполнены в одном корпусе в виде «лопасти», на которой размещены четыре стержня-стойки и пластина для крепления двух микровидеокамер 14. На дно каждой камеры-полости нанесена координатная сетка, которая в полярных координатах относительно оси вращения ротора 1 позволяет определить положение каждой точки образца растения с зерном.
Способ и устройство реализуются следующим образом. Перед началом измерений на тахометре устанавливают предельную частоту вращения ротора 1 центрифуги. Образцы растения с зерном (колос, стручок) помещают в камеры-носители 7 и закрывают прозрачным защитным материалом. Запускают вращение ротора центрифуги. Камеры-носители 7 защищают объект исследования (часть растения с зерном) от действия аэродинамического напора воздуха в процессе вращения. Двойной корпус устройства позволяет добиться высокой виброизоляции исследуемого объекта от внешних воздействий. Электродвигатель 3 центрифуги вместе с системой электронного управления обеспечивает бесступенчатое регулирование частоты вращения ротора центрифуги в диапазоне 0…4000 об/мин. С началом вращения ротора 1 центрифуги тахометр запускает электронный секундомер для измерения времени разгона ротора до заданной предельной частоты вращения ротора 1 с камерами-носителями 7. Через прозрачный защитный материал посредством видеокамер, установленных над камерами-носителями 7, производят видеорегистрацию процесса отделения зерна от растения на фоне координатной сетки, нанесенной на дно камер. Видеоизображение образца растения в процессе испытания поступает на две микровидеокамеры, а затем сигнал по отдельным радиоканалам передается и записывается на специализированный четырехканальный видеорегистратор. Видеорегистратор оцифровывает и передает информационный видеоряд на электронно-вычислительную машину (ЭВМ) для дальнейшей обработки. Электропитание микровидеокамер осуществляется от аккумуляторов.
По достижении предельной частоты вращения ротора 1 с камерами-носителями 7 тахометр останавливает отсчет времени секундомером и запускает виброанализатор, который с помощью установленных на узле 9 для виброизмерений датчиков измеряет виброперемещения ротора в функции времени и строит амплитудно-частотную характеристику. После этого тахометр останавливает вращение ротора 1, прекращая подачу электроэнергии к двигателю 3 центрифуги. По показаниям секундомера вычисляют величину среднего углового ускорения ротора 1, по показаниям виброанализатора вычисляют величину и направление вектора виброускорения ротора 1, по видеозаписи испытаний с помощью координатной сетки измеряют радиус вращения каждого зерна и последовательность отрыва семян от растения; по видеозаписи испытаний, учитывая равномерность разгона ротора 1 центрифуги, синхронность процессов видеорегистрации, работы электронного секундомера и тахометра, определяют угловую скорость вращения ротора центрифуги для моментов времени отрыва каждого зерна. По термогигрометру определяют температуру и влажность внутри и снаружи установки. Для этого в центрифуге предусмотрены четыре датчика температуры и два датчика влажности. Показания с датчиков поступают на цифровой термогигрометр, который оцифровывает и передает данные на ЭВМ. Из камер-носителей 7 извлекают отделившиеся зерна и с учетом показаний термогигрометра определяют их массу термогравиметрическим способом. По измеренным величинам: угловой скорости, среднему угловому ускорению, виброускорению, радиусу вращения отдельных зерен и их массе, вычисляют величину силы связи зерна с растением.
Достоверная информация о величине силы связи зерна с сельскохозяйственным растением, полученная с помощью предлагаемых способа и устройства, имеет широкое прикладное значение. На основе этой информации появляется возможность создания адекватных математических моделей сельскохозяйственных растений. Это позволит более точно на основе уравнений механики деформируемого тела описать различные процессы контактного взаимодействия растения с сельскохозяйственными машинами. Кроме того, появляется возможность более корректно описать такие технологические явления, как вымолот и потери зерна при взаимодействии с рабочими органами сельскохозяйственных машин.