Библиографическое описание:

Родимцев С. А., Канунников П. П. Обоснование расположения обмолачивающих элементов на цилиндре барабана шнеко-лопастного типа [Текст] // Технические науки: традиции и инновации: материалы Междунар. науч. конф. (г. Челябинск, январь 2012 г.). — Челябинск: Два комсомольца, 2012. — С. 118-125.

С целью снижения травмирования семян при обмолоте и улучшения условий сепарации, предложено молотильно-сепарирующее устройство (МСУ) шнеко-лопастного типа [1].

Взаимодействие рабочих органов с обмолачиваемой хлебной массой представляет собой сложный динамический процесс, постоянно изменяющийся во времени, при влиянии многих факторов. Рассмотрение такого процесса с целью его оптимизации – сложная научно-техническая задача, решаемая поэтапно. В предлагаемой работе дается методика приближенного (в статике) обоснования схемы расположения рабочих органов молотильного барабана.

Развертка барабана предлагаемого МСУ (рис. 1) представляет собой прямоугольник, со сторонами &#;d&#;Bб (где d – диаметр цилиндра барабана, м; Bб – длина барабана, м), с расположенными на нем двумя группами рабочих элементов прямого, “П” и обратного, “О” действия.

Нетрудно убедиться, что (1)

где &#;d – длина развертки цилиндра барабана, м; k – коэффициент пропорциональности; a – расстояние между линиями, образованными следами любых двух смежных рядов одного направления, в плоскости, перпендикулярной оси вращения барабана, м; b, c – соответственно, максимальная и минимальная дистанции, между вершинами двух близлежащих сходящихся линий различного направления, м.

Коэффициент пропорциональности k зависит от общего количества М смежных рядов, размещенных на поверхности цилиндра барабана:

(2)

Для упрощения расчетов примем следующие допущения:

1. длина обмолачивающих пластин равна длине ряда их установки, lп = lр;

2. молотильный зазор – есть величина постоянная, по всей длине подбарабанья;

3. сепарация на участке деки равна нулю.

Значение величины а зависит от количества смежных рядов, выбираемого из условия оптимального рабочего эффекта обмолачивания. Число рабочих элементов (как и частота вращения барабана), ограничено продолжительностью промежутка времени &#;t, между ударами смежных рядов обмолачивающих элементов.

Таким образом, длина дуги, образованная участком окружности между смежными рядами обмолачивающих элементов в плоскости, перпендикулярной оси вращения барабана по его наружному диаметру, определяется выражением:

(3)

где а’ – минимальное расстояние между смежными рядами обмолачивающих элементов, по наружному диаметру барабана, м; d – наружный диаметр барабана, м; n – частота вращения барабана, мин-1.

Максимальная b и минимальная с дистанции, между вершинами двух близлежащих сходящихся линий различного направления, определяются углом наклона винтовой линии и минимально допустимым расстоянием а&#; и &#;d-l, между рядами, в плоскости, перпендикулярной оси вращения, по крайним торцам ряда пластин, с высотой hmax.

Если значения а&#; и &#;d-l, из условия продолжительности времени &#;t, принять равными величине а (а&#; = а = &#;d-l), то можем записать:

; (4; 5)

Здесь, &#; - угол наклона винтовой линии, относительно образующей цилиндра барабана, град; p – длина свободного участка образующей цилиндра барабана, в зоне установки пластин с максимальной высотой, м.

Величина угла &#; выбирается исходя из наиболее рационального соотношения основных технологических характеристик МСУ, определяющих качество обмолота. Такими характеристиками являются величины травмирования и недомолота, а также растаскивающая способность рабочих органов барабана.

Нормальный технологический цикл работы в подобном устройстве заключается в том, что порция хлебной массы, захваченная на входе в молотильный аппарат, в результате взаимодействия с рабочими элементами совершает за один оборот барабана перемещение, траектория которого описывается ромбом, с диагоналями равными длине и ширине деки (рис. 2).

При достаточной и постоянной величине угла и минимальных молотильных зазорах, выполнение этого условия обеспечивается соблюдением выражения:

(6)

где Vхл – объем хлебной массы, поступившей в рабочую камеру за один оборот барабана, м3; Vхл’ – объем хлебной массы, перемещенный рабочими органами от оси молотилки к ее боковым стенкам или обратно на участке, равном половине длины подбарабанья, м3; &#; - коэффициент, учитывающий степень сжатия хлебной массы.

Объем Vхл, можно представить как отношение массы материала mi, кг, поступившего в молотилку за один оборот вала барабана, к объемному весу &#;, кг м-3, хлебной массы:

(7)

где q – подача материала в молотилку, кг с-1.

Объем Vхл определяем из соотношения:

(8)

Здесь, &#; - коэффициент, учитывающий величину остатка материала, находящегося в зазорах между рабочими поверхностями молотилки; rд – радиус деки, м; &#;д - угол обхвата деки, град,

Если для данного молотильного устройства зазор между поверхностями цилиндра барабана и деки, длину развертки деки принять величинами постоянными (H, lд = const), то необходимый объем Vхл возможно достигнуть изменением значения p.

Подставив в выражение (6) найденные значения (7) и (8), получим:

(9)

О
тсюда, допускаемая минимальная длина свободного участка p на цилиндре барабана в зоне установки пластин с максимальной высотой:

(10)

С учетом (3) и (10), зависимости (4) и (5) приобретают вид:

(11)

(12)

По опытным данным [2], значение &#;t варьирует в пределах 0,0045-0,0065 с (в среднем – 0,0055 с).

Тогда подставив (11) и (12) в исходную формулу (2) и учитывая (3), после некоторого преобразования можем записать выражение, для определения общего количества рядов пластин, устанавливаемых на барабане:

(13)

Для обоснования допустимой величины свободного участка p’ на цилиндре барабана в зоне установки пластин с высотой hmin, необходимо изучить характер распределения хлебной массы по поверхности подбарабанья, при воздействии этих элементов.

Т.к., при прочих равных условиях (угле наклона винтовой линии и величине молотильного зазора), численное значение площадей распределения хлебной массы по поверхности деки для сходящихся рядов прямого и обратного действия также будут равными, рассмотрим геометрию распределения на примере ряда прямого действия (см. рис. 2).

Предварительные исследования показали, что форма площади распределения материала по поверхности деки приближается к виду геометрической фигуры ОАВСD, изображенной на схеме. Боковые стороны и основание фигуры образованы, соответственно, боковыми панелями рабочей камеры и передним торцом секции подбарабанья. Верхняя часть фигуры ограничена кривой вида (14)

Ломанная АЕС является проекцией линии установки сходящегося ряда рабочих элементов на поверхность развертки деки, в момент полного распределения материала.

Учитывая характер взаимодействия рабочих элементов с хлебной массой, с достаточным приближением можно предположить, что аппроксимация численного ряда множества точек, лежащих на ломаной АЕС, даст коэффициенты регрессии f и g уравнения (14), взятые с противоположным знаком.

На серединах отрезков АЕ и ЕС ломанной АЕС зададим дополнительные точки G и L и проведем вспомогательные оси Y, X и X’. Тогда относительно X’, координатами точек, лежащих на ломаной АЕС, будут являться: О,О (А);

, (G); , (E); , (L) и Bд, О (С),

где Bд – ширина деки, м.

Приняв начало координат в точке О оси X’ и решая систему нормальных уравнений, находим:

; (15; 16)

Произведя подстановку найденных коэффициентов в исходную формулу (14) и изменив знаки на обратные, получим уравнение регрессии кривой АВС на промежутке ОВд числовой оси X’:

(17)

По аналогии с (6) принимаем, что объем хлебной массы поступившей в молотильную камеру за один оборот барабана, должен быть распределен на участке деки, не превышающем половины ее длины:

(18)

где V’’хл – объем хлебной массы, распределенный на половине площади подбарабанья, м3.

В этом случае, центр тяжести плоской фигуры, образованной точками АВС, расположен в точке F, с координатами центра площади развертки деки (,, в плоскости XOY).

Известно [3], что центр тяжести любой однородной плоской фигуры, имеет ординату: (19)

Имея f1(x) = -fx+gx2 и f2(x) = 0, применительно к рассматриваемому случаю:

(20)

Абсцисса , т.к. фигура АВС симметрична, относительно продольной оси подбарабанья.

Принимая g и f = const, решая (2.) находим:

(21)

Тогда, коэффициент е уравнения (2.49), выражающийся ординатой точек А и С, относительно оси X, определится, как:

(22)

Если условно принять, что ширина захвата рабочих элементов с высотой hmin равна длине барабана, то по аналогии с главным условием (18), объем хлебной массы, распределенный этими элементами на участке деки, превышающем половину ее длины выразится разностью:

(23)

где &#;V – объем хлебной массы, не удовлетворяющий условию (18), м3.

Величина объема V’’хл, определяется произведением площади распределения материала Sр, м2, по поверхности деки (фигура ОАВСD) и высотой hр, м сечения этого объема, образованного обмолачивающими пластинами:

(24)

Полагая, что свободный член уравнения (14) – есть величина постоянная (е=const), найдем площадь Sр:

(25)

Тогда, при высоте сечения распределенного материала:

(26)

где hmin – минимальная высота пластин, м,

учитывая (26), выражение (23) перепишется в виде:

(27)

Объем &#;V может быть распределен в пределах площади ОАВСD в случае, когда ширина захвата рабочих элементов меньше длины барабана на некоторую величину p’. При этом, поперечное сечение распределенного объема &#;V (см. сеч. Q-Q на рис. 2), будет образовано произведением длины свободного участка p’ на поверхности цилиндра, в зоне установки пластин и высоты этих элементов hmin.

Тогда, объем &#;V определится, как:

(28)

где Sб – площадь основания валка объемом &#;V/2, распределенного у одной из боковых стенок молотильной камеры на длине деки, ограниченной кривой (14), м2.

Так как (29)

где p’ – длина свободного участка на поверхности барабана, в зоне установки пластин, с высотой hmin, м,

то приравнивая к нулю обе части выражения (28), получим:

(30)

Принимая (31)

и произведя замену: (32)

приводим уравнение (30) к “неполному” кубическому уравнению, относительно у:

, (33)

где ; (34; 35)

Для нахождения корней уравнения (33), воспользуемся формулами Кардано.

В этом случае:

; ; (36-38)

Подставляя найденные значения у в выражение (33), находим допустимое значение длины p’, для участка поверхности барабана, в зоне установки пластин, с высотой hmin.

Учитывая линейную зависимость объема &#;V от высоты обмолачивающих элементов, длину свободного участка на цилиндре барабана, в зоне установки пластин промежуточных рядов, с высотой hi, находим из соотношения:

(39)

где p’’ – длина свободного участка, в зоне установки пластин промежуточных рядов, м; K – количество сходящихся рядов данной группы; Ki – порядковый номер сходящегося ряда группы.

Высота обмолачивающих пластин определяется условием равномерного послойного воздействия на обрабатываемый материал, находящийся в молотильном зазоре.

Т.к. величина молотильных зазоров регламентируется только физико-механическими свойствами и состоянием хлебной массы, то диаметр цилиндра барабана, определяющий высоту пластин максимального размера выбирается исходя из требуемого момента инерции I и соблюдения условия:

(40)

где lс – длина стеблей растений, м.

Используя конструкцию молотильного барабана комбайна “Енисей”, диаметр d цилиндра был принят равным 420 мм.

Тогда высота пластин максимального размера будет определена выражением:

(41)

Для обеспечения равномерности послойной обработки материала, последовательное воздействие на валок рабочими элементами одного направления должно удовлетворять условию:

(42)

где Sх – площадь сечения валка хлебной массы, сформированного рабочими элементами и находящегося у стенок молотильной камеры или в ее центре, м2; Si – площадь валка хлебной массы, захваченной i-тым рядом рабочих элементов одного направления, м2.

Как следует из практики, материал, находящийся в молотильном зазоре имеет большую плотность в основании и меньшую – в своей верхней части. Это дает право, с известной степенью приближения, представить сечение сформированного валка геометрической фигурой (рис. 3), образованной кривой вида:

; , (43)

и осью ОХ, являющейся в этом случае поверхностью деки.

Очевидно, что длина основания площади Sx сечения валка, образованного рабочими элементами прямого действия равна величине p/2, обратного – p. Вершиной параболы (43) является ордината d/2.

Тогда, для того, чтобы найти высоту пластин hi, удовлетворяющую условию (42), необходимо определить ординаты y1, y2,…,yn-1 прямых, делящих площадь Sx сечения валка на n равных частей.

Искомая высота пластин i-того ряда определится разность:

(44)

где yi – ордината соответствующей прямой, м; i – индекс, указывающий порядковый номер рядов одного направления.

Если сечение валка представляется фигурой, ограниченной параболой (43) и осью ОХ, то для центральной части должно выполняться условие:

; (45; 46)

Тогда решая систему уравнений:

; (47)

Исходя из равенства площадей S1=S2=…Sn=Sx/n, имеем:

(48)

С другой стороны:

(49)

Откуда, получаем уравнения:

- для S1 (50)

- для S2 (51)

- для Si (52)

найдя действительные корни xi которых, получим соответствующие ординаты yi и высоты пластин hi.

Для нахождения корней уравнений (50-52) использовалась специально разработанная компьютерная программа, на языке Basic.

Расстояние s между пластинами в ряду находилось из условия обеспечения большей захватывающей способности барабана.

Дистанция s будет достаточной в том случае, когда проекция на плоскость, перпендикулярной винтовой линии переднего торца последующей пластины, окажется полностью смещенной, относительно проекции на ту же плоскость заднего торца предыдущего элемента.

; (53; 54)

где τ – центральный угол, по ширине пластины, град.

Полученные теоретические предпосылки будут использованы как исходные, при разработке опытного образца МСУ шнеко-лопастного типа.


Литература:
  1. Пат. 2036575 РФ, МПК7 А01 F 12/18. Молотильное устройство/ Пьяных В.П - №4899399/15; заявл. 03.01.91; опубл. 09.06.95, Бюл. №16. – 3с.: ил.;

  2. Сельскохозяйственные машины : учеб. для вузов / Н. И. Кленин, Киселев С. Н., Левшин А. Г. -М.: КолосС, 2008. - 816с.;

  3. Расчет на прочность деталей машин: Справочник (Издание 4-е, дополн. и перераб.) Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. -М.: Машиностроение, 1993. - 640с.

Основные термины (генерируются автоматически): хлебной массы, цилиндра барабана, объем хлебной массы, зоне установки пластин, рабочих элементов, молотильного барабана, вращения барабана, оборот барабана, диаметр цилиндра барабана, распределения хлебной массы, оси вращения барабана, частота вращения барабана, участке деки, универсального молотильного барабана, молотильного барабана зерноуборочного, развертки деки, барабана зерноуборочного комбайна, свободного участка, перпендикулярной оси вращения, валка хлебной массы.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос