«Е.И. ТРУБИЛИН, В.А. АБЛИКОВ Л.П.СОЛОМАТИНА, А.Н. ЛЮТЫЙ МАШИНЫ ДЛЯ УБОРКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР КРАСНОДАР -2009 г. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное ...»

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО « КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСИВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

БРЮХОВЕЦКИЙ ФИЛИАЛ

Е.И. ТРУБИЛИН, В.А. АБЛИКОВ

Л.П.СОЛОМАТИНА, А.Н. ЛЮТЫЙ

МАШИНЫ ДЛЯ УБОРКИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

КУЛЬТУР

КРАСНОДАР -2009 г.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Брюховецкий филиал Е.И. ТРУБИЛИН, В.А. АБЛИКОВ Л.П. СОЛОМАТИНА, А.Н. ЛЮТЫЙ

МАШИНЫ ДЛЯ УБОРКИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

(конструкции, теория и расчет) Допущено Главным управлением высших учебных заведений подготовки и переподготовки кадров МСХ РФ в качестве учебного пособия для студентов высших сельскохозяйственных заведений, слушателей ФПК, руководителей и специалистов Краснодар 2009 г.

Е.Н. ТРУБИЛИН, В.А. АБЛИКОВ, Л.П. СОЛОМАТИНА, А.Н. ЛЮТЫЙ Машины для уборки сельскохозяйственных, культур «конструкции, теория и расчет) Учеб.пос. - 2 изд перераб. И дополн. – КГАУ, Краснодар,2009 – 216 с.

Представлен материал по классификации и анализу рабочих органов и машин для уборки зерновых, кукурузы, сахарной свеклы, картофеля и овощей. Изложены некоторые физико-механические свойства с.х. растений имеющие существенное значение при машинной уборке. На этой основе даны элементы теории и расчета рабочих органов и машин.

При написании учебного пособия использованы литературные источники, а также результаты собственных научных исследований.

Содержание одобрено и рекомендовано к изданию методическим советом факультета механизации КГАУ.

Учебное пособие предназначено для специалистов сельского хозяйства, научных работников, преподавателей, аспирантов, магистров и студентов аграрных вузов РФ по направлению подготовки «Агроинженерия».

Утверждено методической комиссией факультета механизации Кубанского госагроуниверситета 5 февраля 2009 года, протокол № Компьютерный набор: С.В. Ляшенков Рецензент: Заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор Кравченко В.С.

Кубанский государственный аграрный университет КГАУ, 2009 г.

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее трудоемкими процессами в сельскохозяйственном производстве являются уборочные работы. Техника для выполнения этих работ сложная, требует значительных затрат на её производство и эксплуатацию. В настоящее время практически все уборочные работы механизированы. В связи с перестройкой сельскохозяйственного производства и созданием широкой сети фермерских хозяйств, арендных и акционерных предприятий актуальная задача в области механизации сельскохозяйственного производства сводится к созданию мобильной малогабаритной уборочной техники, достаточно дешевой и доступной для приобретения, а также создание условий для рационального её использования.

Принципы устройства рабочих органов большинства машин стабилизированы, конструкции же машин в связи с общим техническим процессом непрерывно совершенствуются. В связи с этим в настоящем учебном пособии кратко изложены вопросы физико-механических свойств сельскохозяйственных культур, некоторые агротребования, технологии механизированных работ, описаны элементы конструкции рабочих органов и машин, а также уделено внимание их теоретическому обоснованию.

В современных условиях перестройки сельскохозяйственного производства возрастает роль и значение инженера-механика-организатора использования сельскохозяйственной техники. Для правильной, рациональной организации механизированных работ инженеру-механику нужны глубокие практические знания конструкции и теории рабочих процессов сельхозмашин, умение самостоятельно настраивать машины на оптимальный режим работы в зависимости от измеряющихся свойств и состояния обрабатываемого материала, чтобы творчески, со знанием дела совершенствовать применяемые средства механизации.

Настоящее учебное пособие описательно-расчетное, за основу здесь взяты наиболее характерные рабочие органы машин. Каждый раздел охватывает рабочие органы группы машин, объединенных общностью выполняемых ими технологических процессов и операций. Технологические процессы и операции изложены в духе традиций классической школы академика В.П. Горячкина, заложенных в земледельческой механике.

1 МАШИНЫ ДЛЯ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

1.1.1 Физико-механические свойства стеблей, имеющие значение при их срезании Резание является одним из технологических приемов при разрушении и обработке различных материалов. Физико-механические свойства материала в основном определяют геометрию ножа и характер процесса срезания.

Срезание растения с поля осуществляется ножами, которые представляют собой плоский или пространственный клин. Сила, приложенная к клину, вызывает значительное удельное давление между лезвием и материалом, что приводит к разрушению связей между отдельными частицами материала.

После проникновения лезвия в материал грани клина вступают во взаимодействие с ним, при этом в зависимости от свойств разрезаемого материала они могут содействовать резанию или тормозить его.

Стебли сельскохозяйственных растений состоят из клеток, которые располагаются в определенном порядке, образуя ткани. Сосудисто-волокнистые пучки ткани являются наиболее прочными элементами и играют роль арматуры стебля. Стебель представляет собой конструкцию малого веса, большой прочности и гибкости. Сопротивление изгибу стебля круглого сечения одинаково в любом направлении. По своей форме стебель напоминает консольную балку равного сопротивления изгибу /2; 21/.

Упругие свойства стеблей Характер изменения сопротивляемости стеблей отгибу в зависимости от величины самого отгиба был изучен при помощи графоаналитического метода нелинейной статистики, позволяющего решить задачу с большими упругими перемещениями.

Была получена зависимость горизонтальной составляющей силы упругости Р от величина отгиба и высоты среза /2; 4/ где К - коэффициент упругости стебля;

Е * J - четкость стебля при изгибе.

Установлено, что с увеличением отгиба это усилие растет. При дальнейшем же росте отгиба усилие переходит через максимальное значение и уменьшается. Эти положения подтверждены экспериментальными исследованиями.

На основании изложенного в расчетах следует использовать максимальные значения сопротивления стеблей изгибу, что дает возможность получить оптимальные параметры среза.

Сопротивление стеблей срезанию В результате проведенных опытов /24/ установлено, что при скорости ножа 8-15 м/с и остром лезвии вертикально стоящий одиночный стебель не перерезается в строго вертикальном положении. При встрече ножа со стеблем в момент удара происходит одновременное возрастание усилий в ноже и растяжение стебля. В момент резания нож многократно ударяет стебель с все уменьшающейся амплитудой и частотой удара. При достаточном отгибе стебля, когда сила инерции окажет необходимое сопротивление дальнейшему отклонению стебля, последний начинает срезаться ножом. Срез группы стеблей, не имеющих опоры, беспорядочен как в отношении отгиба, так и усилия резания.

Срез стебля, имеющего две опоры, происходит стабильно, быстро качественно и при меньших усилиях.

Таким образом, коэффициент упругости при срезе стебля, имеющего две опоры, в тысяч раз больше коэффициента упругости стебля при его консольном закреплении.

Следовательно, стеблю, опирающемуся на две опоры, достаточно прогнуться на десятые доли миллиметра, чтобы реакция упругих сил была достаточной для его среза при очень малой скорости ножи.

Сопротивление стеблей смятию Удельное сопротивление стеблей смятию можно определить следующей формулой /4/:

где Р' - сила смятия, Н;

F - площадь поперечного сечения стебля, мм2;

k' - глубина смятия, мм.

В результате опытов установлено, что сила смятия стебля не изменяется пропорционально глубине смятия. Вначале, при глубине смятия 0-0,5 мм, сила Р увеличивается медленно, а затем, при глубине до 1 мм, происходит возрастание силы в 2раза по сравнению с первым интервалом. При дальнейшем сжатии стебля на глубину до 1,5 мм сила смятия увеличивается медленно и наступает момент, когда деформация стебля продолжает увеличиваться, а сила остается постоянной, стебель теряет устойчивость и разрушается.

Удельное сопротивление смятию зеленых стеблей подсолнечника составляет 0,6-0, Н/мм3, сухих стеблей - 2,0-3,0 Н/мм3.

Угол трения стебля в лезвие сегмента Коэффициент трения стеблей зерновых культур зависит от их влажности, и при скольжении по шлифованной стали в среднем равен 0,35 в начале движения и 0,25 при движении. Коэффициент скольжения стеблей по гладкому лезвию меньше, чем по насеченному.

Опытами /4/ установлено, что сумма углов трения стебля о гладкое или насеченное лезвие всегда больше действительного угла защемления. Эта разница возрастает при увеличении диаметра стебля. Причина в том, что стебель скользит по гладкому лезвию, у которого коэффициент трения меньше, чем у насеченного, и перекатывается по насеченному лезвию.

Таблица 1.1 Углы трения стеблей о лезвие ножа Число стеблей пшеницы на одном квадратном метре поверхности поля равно 300-800 в зависимости от густоты посева (среднее - 500). Число стеблей степных трав составляет 10тыс. на I квадратный метр. Длина стебля пшеницы в среднем составляет 70-110 см, длина колоса 5-6 см.

1.1.2 Сущность процесса срезания стеблей Срезающие устройства уборочных машин должны выполнять чистый срез растений без смятия, разрывов, затягивания и выскальзывания их из-под лезвий.

В основе работы срезающих устройств использованы два принципа среза:

безподпорный и подпорный.

По принципу безподпорного среза работают ротационные срезающие устройства, рабочие элементы которых ножи совершают вращательное движение.

менее 5-7 м/с. Сопротивление срезанию при этом погашается упругостью стеблей вблизи корней и их инерцией Принцип подпорного среза используется в работе сегментных срезающих устройств.

Нож такого устройства срезает стебли, опирая их о кромку противорежущей части пальца и о перо пальца сверху. Резанию предшествует смятие. Стенки трубчатых стеблей сближаются, под давлением лезвия стебель прогибается (рис. 1.1).

На ход процесса и на величину требуемого усилия Р оказывают влияние: физикомеханические свойства и расположение стеблей, скорость ножа, величина рабочего зазора, угол заострения сегментов и вкладышей, острота лезвий, угол между лезвием ножевого сегмента и направлением движения машины, угол между режущим и противорежущим лезвиями.

Исследованиями академика А.Н. Карпенко установлено, что при повышении скорости ножа от 0,3 до 0,6 м/с сопротивление резанию резко уменьшается, дальнейшее повышение скорости приводит к более медленному уменьшению сопротивления. Так, при повышении скорости от 0,75 до 1,85 м/с напряжение среза уменьшалось от 600 до 385 г/мм. Для большинства материалов сопротивление деформированию возрастает с увеличением скорости деформирования. Наблюдаемое в данном случае уменьшение сопротивления объясняется тем, что при большой скорости ножа деформация стебля успевает распространиться в меньшей степени.

При большом зазоре нижняя часть срезаемого стебля затягивается ножом, и это приводит к возникновению значительных сил трения. Верхняя часть срезаемого стебля, изгибаясь, также прижимается к сегменту. При малом зазоре I затягивание нижней части стебля не происходит и сопротивление резанию уменьшается. Лучшие результаты по мощности и чистоте среза получаются при зазоре I = 0,3 мм для трав и 0,5 - для хлебов (по А.Н. Карпенко).

Угол заострения сегментов i равен 19°, вкладыша - 45 и 60°. После заточек сегмента угол заострения увеличивается. Практически уборочные машины работают с углом заострения гладких лезвий 22-23°.

С увеличением угла а между лезвием сегмента и направлением движения машины сопротивление резанию уменьшается. По данным ВИСХОМ, при = 46° напряжение среза составляет 230 г/мм2, при = 30° 285 г/мм2. При выборе угла имеется ограничение, связанное с возможностью выталкивания стеблей из раствора лезвий при критической величине угла между ними. Угол этот называют углом защемления.

1.1.3 Классификация и анализ срезающих устройств уборочных машин Известные срезающие устройства уборочных машин классифицированы (рис. 1.2) в зависимости от конструктивных особенностей и принципа действия на сегментные и ротационные пальцевые Сегментные срезающие устройства Сегментные срезающие устройства наиболее распространены в уборочных машинах, в основу положены рабочие элементы - сегменты, установленные на специальной пластине.

Это группа срезающих устройств подпорного среза, когда в процессе резания участвуют режущая и противорежущая части устройства. При этом скорости резания равны 1 -3 м/с.

В зависимости от конструкции противорежущей части эта группа срезающих устройств делится на сегментно-пальцевые и сегментные (беспальцевые) (рис. 1.3 а, в). Стебель при срезе опирается на элементы машины.

В сегментно-пальцевых устройствах режущая пара: сегмент - 2 (рис. 1.3 а) и противорежущая пластина - 1. Сегмент подводит растение к противорежущей пластине и, защемляя его в растворе этих элементов устройства, срезает. В момент среза стебель опирается одновременно о про-тиворежущую пластину и о перовидный отросток пальца, т.е. о две опоры. Это уменьшает опасность изгиба стебля и тем самым повышает надежность среза, особенно тонкостенных растений, которые имеют малую жесткость.

При уборке толстостебельных культур (конопля, подсолнечник, кукуруза, тростник) две опоры стебля отрицательно влияют на срез.

Врезаясь в толстый стебель, сегменты защемляются несрезанным стеблем. При двух опорах защемление значительно возрастает, что резко увеличивает усилие, действующее на сегмент и палец. Это в свою очередь ослабляет крепление и вызывает поломки пальцев и сегментов. Поэтому в устройствах для срезания толстостебельных культур целесообразно применять пальцы без перовидных отростков.

Сегментно-пальцевые срезающие устройства менее энергоемкие, т.к. работают на небольших скоростях. Такие устройства находят широкое применение в косилках и жатках.

Однако возвратно-поступательное движение ножа вызывает знакопеременные инерционные усилия, что ограничивает значительное повышение рабочих скоростей косилок и жаток.

Сегментно-пальцевые срезающие устройства характеризуются следующими геометрическими и кинематическими параметрами (рис. 1.4):

t - шаг режущей части - расстояние между осевыми линиями сегментов; to - шаг противорежущей части - расстояние между осевыми линиями пальцев; S - ход ножа перемещение ножа из одного крайнего положения в другое.

В зависимости от соотношения указанных параметров различают устройства нормального резания с одинарным и двойным пробегами ножа, шиною и среднего резания.

Срезающее устройство нормального резания с одинарным пробегом ножа (рис. 1.4 а) имеет следующие соотношения параметров:

Такие устройства с шагом 76,2 мм применяют в косилках и жатках дли орем трав, зерновых и технических культур, а с шагом 90 мм - для среза кукурузы, подсолнечника и других толстостебельных культур.

Срезающее устройство нормального резания с двойным, пробегом ножа (рис. 1.4 б) имеет соотношения параметров /13/:

Устройство с размером 152,4 мм находит применение как в косилках, так и в жатках, устройство с размером 101,6 мм - в косилках для степных трав.

Срезающее устройство низкого резания (рис. 1.4 в) характеризуется соотношением:

В первом варианте устройство применяют в косилках, во втором - в комбайнах.

Срезающее устройство среднего резания (рисунок 1.4 г) имеет соотношение:

Устройство с параметрами первого варианта встречается в зарубежных и малогабаритных косилках.

В сегментном (беспальцевом) устройстве (рис. 1.3 в) режущая пара -дни сегмента, срезающие растение с опорой в одной точке А. Такие режущие пары меньше забиваются при уборке спутанных и полеглых растений. Однако из-за отгибов носков сегментов в процессе работы они также склонны к забиванию. В них затруднена замена поврежденного сегмента. Применяют одно- и двухножевые устройства. В одноножевом подвижен только один нож, а в двухножевом оба ножа совершают аппозитивные движения, благодаря чему увеличивается равновесие всей машины. Перемещения каждого ножа в таком устройстве в 2 раза меньше, чем в одноножевом, за счет чего уменьшаются силы инерции, действующие на нож. Однако косилка с двухножевым устройством имеет сложную конструкцию механизма привода ножей.

Ротационные срезающие устройства Ротационные срезающие устройства применяются для скашивания травы, грубостебельных культур и растений с большим диаметром стебля (кукуруза, подсолнечник, тростник и др.). Эта группа срезающих устройств подразделяется на три подгруппы: дисковые, комбинированные и барабанные (рис. 1.5).

Дисковые срезающие устройства (рис. 1.5 а) могут быть одно- и двухдисковыми, когда в процессе срезания участвуют: в первом случае - один прощающийся диск и противорежущая пластина, а во втором - два встречно прощающихся диска. Диски заточены по всей кромке и при их вращении и перемещении вместе с машиной стебли, попадая в рабочую зону, перерезаются. Устройство работает на больших скоростях резания, качество среза высокое. При затуплении режущей кромки или ее разрушении необходима смена диска. Конструкция механизма привода не дает возможности обеспечивать низкий срез стеблей.

Комбинированные срезающие устройства (рис. 1.5 б) представляют собой вращающиеся диски с закрепленными на них режущими элементами. Такими элементами могут быть прямоугольные заточенные пластины или сегменты. По мере износа или излома пластины могут заменяться индивидуально, широкое применение нашли дисковые срезающие устройства с шарнирно закрепленными режущими пластинами. Качество срезания стеблей высокое за счет того, что режущий элемент в момент срезания находит свое оптимальное положение на диске, энергоемкость процесса при этом снижается. Кроме этого, по мере износа режущей кромки имеется возможность перевернуть пластину и работать другой стороной. Учитывая, что режущие элементы изготавливаются из дорогостоящей стали, такая конструкция целесообразна.

Барабанные срезающие устройства (рис. 1.5 в) представляют собой барабан, на котором шарнирно расположены ножи, вращающиеся в вертикальной плоскости. При движении по полю передний щит 2 наклоняет стебли вперед. Барабан 6 с шарнирно закрепленными ножами 3 вращается с большой скоростью (40-60 м/с). Нож, соприкасаясь с наклоненными вперед стеблями, сообщает им удар, в результате которого они срезаются и с большой скоростью подаются вверх через зазор между неподвижным ножом 1 и ножами барабана 3.

Во избежание забивания зазор должен быть не менее 12 мм. Стебли при прохождении через него подвергаются повторным ударам других ножей, измельчаются и, обладая запасом кинетический энергии, движутся по трубе 4 вверх, а оттуда направляются в тележку.

Косилки-измельчители с таким устройством успешно производят срез как гонких трав, так и толстых стеблей подсолнечника и кукурузы.

Роторно-ломающее срезающее устройство (рис. 1.6) предназначено снятия с поля растений большого диаметра, стебли которых имеют узлы и междоузлия. Отделение стебля от корневой части происходит не путем перерезания, а за счет ломки его по узлу.

Разрушение стебля в комлевой части происходит по узлу за счет того, чип стебель наклоняется и в нижнем узле создается максимальное напряжение изгибу. При незначительном касании к такому узлу он разрушается.

Устройство (рис. 1.6) состоит из пальцев 1, установленных на роторе наклоняющего устройства 4 и стеблеподающего транспортера 5. При движении по полю наклонитель изгибает стебли 3, обеспечив концентрации! напряжения в нижних узлах стеблей. В этот момент вращающиеся пальцы 1 ударяют по комлевой части стеблей и они ломаются по нижний уздам. Срез получается достаточно чистым и ровным. При этом затраты энергии на процесс ломки незначительны.

1.1.4 Сопротивление срезанию растений, скользящее резание Рассмотрим некоторые элементы теории резания лезвием ножа. В своих исследованиях академик В.П. Горячкин указал на очень характерное явление в механике резания, а именно: если заставить лезвие ножа перемещаться перпендикулярно к его длине (рис. 1.7 а), то сила, необходимая для резания, будет максимальной.

Но если лезвие не только углублять в перерезаемый материал, а и заставлять его при этом проскальзывать вдоль своей длины (рис. 1.7 б), то оказывается, чем больше будет продольное перемещение относительно нормального (т.е. перпендикулярного лезвию), тем меньшей окажется сила, с помощью которой можно перерезать один и тот же материал.

Академик В.П. Горячкин для изучения процесса резания лезвием применял простые весы с параллельным перемещением чашек, на одной чашке носов укреплялся прямолинейный нож, обращенный лезвием вверх. Над ним по неподвижной линейке скользил зажим с закрепленным в нем стеблем (рис. 1.8). Давление лезвия на стебель изменялось накладыванием гирек на другую чашку весов.

При этом, с изменением давления лезвия на стебель, измерялось продольное перемещение стебля вдоль лезвия. Таким образом, была получена зависимость между давлением лезвия на стебель и перемещением последнего вдоль лезвия вплоть до полного перерезания.

Оказалось, что чем меньше сила, с помощью которой желают перерезать какой-либо материал, тем больше требуется продольного перемещения ножи Это положение сразу объясняет конструкцию ручной косы. Косой нельзя срезать траву (вообще стебли) со сколько-нибудь значительным давлением на стебли, т.к. коса режет свободно стоящие стебли, имеющие закрепление только в почве. Для косы необходим такой режим резания, при котором Потребное для резания давление было бы номинальным. На первый взгляд может показаться, что коса насажена не рационально, т.к. она захватывает Полосу очень узкую (рис. 1.9). Но инстинкт подсказал людям, что именно так должна быть насажена на держак коса. Допустим, что коса насажена на держак так, что будет двигаться нормально к лезвию. При таком воздействии на стебли для их срезания потребуется большое нормальное давление, которое стебли не способны воспринимать. Если коса насажена правильно, то тогда при работе точки лезвия двигаются почти по касательной и на единицу нормального перемещения приходится очень большое продольное пещсние, необходимое для резания нормальное давление будет в значимой степени снижено.

Кроме того, в работе косы большую роль играет скорость ее движения. Нужно ударом косы создать такое ускорение в стеблях, чтобы возбужденная инерционная сила стебля создавала достаточное давление на лезвие до конца перерезания стебля.

Рассмотрим теперь условия скольжения материала вдоль лезвия при резании. Если скорость лезвия при резании перпендикулярна его длине, то ни о каком скольжении движения лезвия по разрезаемому материалу говорить нельзя. Если двигать лезвие под некоторым углом к нормали так, что, углубившись в материал на некоторую величину (рис. 1.7 б), лезвие вместе с тем пройдет по касательному направлению некоторый путь S, то это перемещение S не обязательно создает продольное скольжение лезвия.

Предположим, что лезвие ножа перемещается по направлению вектора скорости VH (рис. 1.10). Пусть угол будет меньше угла трения лезвия ножа по разрезаемому материалу /3,4/:

Лезвие ножа давит на перерезаемый материал по нормали, оказывая нормальное давление N. Рассматривая действие этой силы, разложим ее по направлению движения ножа вдоль лезвия ножа Nv и NI. Рассматривая по-розпь действия этих сил, замечаем, что, если точка лезвия встретила на споем пути какой-либо материал (точка т), то сила Nv стремится эту частицу т материала переместить вместе с ножом, а сила NT стремится эту частицу материала переместить вдоль лезвия ножа.

Может ли частица т материала скользить вдоль лезвия ножа или нет, это зависит от того, способна ли сила трения уравновесить силу NT. Чтобы частица т материала скользила под действием силы NT по лезвию, сила NT должна преодолеть силу трения F.Наибольшая возможная сила трения Fmax при данном нормальном давлении N и угле трения ф будет В свою очередь Nт =N*tg, но так как, то Nт меньше предельного наибольшего возможного значения силы трения Fmax. При этих условиях сила трения F, действующая на частицу т материала в сторону, противоположную силе NT, в точности равна силе Nт =N*tg, а не максимально возможной силе трения Fmax=N *tg, так как всякая сила реакции равна той силе, которой она возбуждена, т.е. F = -N • tg. Итак, если a <, то никакого скольжения лезвия по материалу не будет.

Теперь рассмотрим условие, когда a =, в этом случае Nт =Fmax. Силы Nт и Fmax уравновешиваются взаимно. Частица материала т будет перемещаться по направлению движения лезвия ножа. Резание будет происходить без скольжения.

И, наконец, случай, когда >.

Рассмотрим схему действия сил на перерезаемый материал (рис. 1.11). Разложим силу N на составляющие Nv и Nт. Может ли в этом случае сила NT заставить частицу материала т скользить по лезвию ножа? Это будет зависеть от того, окажется ли сила Nт больше силы трения, которая будет развиваться при скольжении частицы материала по лезвию. Посмотрим, сколь велика сила трения, которая стремится препятствовать силе NT и перемещать частицу материала по лезвию ножа:

При этих условиях сила F, направленная противоположно, достигает своего наибольшего значения: Fmax=N • tg.

Значит, частица материала т окажется под воздействием двух сил: N и Fmax. Так как они действуют одновременно и совместно, то можно сложить их геометрически. Получим их равнодействующую R, направленную под углом к нормали n-n. Следовательно, частица будет перемещаться под действием (и по направлению) силы R, пока не перережется.

Причем, лезвие ножа будет двигаться по направлению скорости Vн, а частица т материала по направлению силы R. Из схемы (рис. 1.11) следует, что в процессе резания, которое сопровождается снятием материла под давлением лезвия, происходит скольжение материала по лезвию. Такому резанию со скольжением могут подвергаться только податливые материалы. Итак, для резания со скольжением имеется два условия:

1. Направление скорости лезвия должно составлять с нормалью к нему угол больший, чем угол трения материала по лезвию.

2. Разрезаемый материал должен быть податлив (упруг, пластичен).

Значит, если при данном нормальном давлении приложить такую касательную силу, чтобы их равнодействующая была равна временному сопротивлению (т.е. пределу прочности на смятие) разрезаемого материала, то резание будет происходить, тогда (рис.

1.12) где К - временное сопротивление разрезаемого материала.

Уменьшая силу N, нужно увеличить силу Т и наоборот.

Если лезвие перемещать по направлению, отклоненному от нормали на угол а, лежащий в пределах от 0 до, то резание будет без скольжения. Но если этот угол будет больше угла, то резание будет происходить со скольжением. Меру скольжения, так называемый коэффициент скольжения, можно получить следующим образом.

Чтобы нож резал со скольжением, нужно иметь > (рис. 1.13).

Коэффициентом скольжения можно назвать величину где а'm' - путь, проходимый перерезаемым материалом по лезвию со скольжением;

am' - единица деформации материала.

Рассмотрим лаm'а' (рис. 1.13) по теореме синусов:

Отсюда Из формулы следует, что тем больше, чем больше угол. И если =, то = 0.

В производстве нас интересует расход энергии. Посмотрим, чему равна работа, затрачиваемая на перерезание 1 см2 материала. Это количество работы назовем удельной работой резания. Представим себе прямолинейный отрезок лезвия (рис. 1.14), по длине равный 1 см. Допустим, что лезвие разрезает материал со скольжением, тогда необходимо, чтобы >. Значит, лезвие будет двигаться не перпендикулярно своей длине, а под углом к своей нормали, причем большим угла. Следовательно, 1 см длины лезвия перережет полосу шириной h = l*cos с силой резания Р =.

Дли вычисления работы силы R нужно определить проекцию этой силы на направление пути точки ее приложения:

Найдем путь, который должен совершить отрезок лезвия внутри материала, чтобы прорезать 1см2. Из рисунка 1.14 следует, что площадь разреза выражается площадью параллелограмма с высотой h и основанием I. Так как h*I = 1см2, а h = l*cos, то (1.4) Таким образом, с увеличением угла а постановки лезвия энергия резания увеличивается.

1.1.5 Основы теории и расчета сегментно-пальцевого срезающего устройства Кинематика ножа Во время работы уборочной машины нож срезающего устройства совершает сложное движение. Абсолютное движение ножа складывается из движения его вместе с машиной переносное движение и движение относительно пальцевого бруса - относительное движение. В относительном движении нож срезающего устройства совершает гармонические колебании Нож срезающего устройства приводится в движение двумя видами кривошипношатунных механизмов - плоскими и пространственными. Первые имеют преимущественное применение на зерновых жатках, вторые на косилках.

Кривошипно-шатунные механизмы бывают двух типов: центральные или аксиальные (рис. 1.15 а), когда ось кривошипного вала лежит на линии движения ножа, смещенный, или дезаксиальный (рис. 1.15 б), когда ось кривошипного вала находится выше линии движения ножа.

В уборочных машинах главным образом применяются механизмы второго типа. При этом дезаксиал Д по отношению к радиусу кривошипа r у комбайнов составляет r / 2r, у жаток 2 r / r З r и у косилок 7 r / 8 r. В последнем случае в связи с изменением положения пальцевого бруса при копировании башмаком рельефа значение дезаксиала постоянно меняется. Дезаксиал оказывает влияние на ход ножа S и его кинематическую характеристику. Если для аксиального механизма S =2 r.то для дезаксиального S > 2 r.

Влияние дезаксиала на величину хода ножа небольшое (2-3 %), поэтому в расчетах этим показателем можно пренебречь.

Кинематические показатели хода ножа - перемещение X, скорость V и ускорение j зависят от угла поворота cot.

Для простоты пренебрегаем влиянием конечной длины шатуна и дезаксиала и определяем X, V и j для центрального кривошипно-шатунного механизма (рис. 1.16).

Так как нож в относительном движении совершает гармонические копия, то величина перемещения любой точки сегмента вдоль пальцевого бруса за промежуток времени t будет равна проекции радиуса кривошипа на горизонтальную ось X (рис. 1.16).

Так как абсолютное движение сегмента складывается из относительною движения вдоль пальцевого бруса и переносного - вместе с машиной, то уравнение движения сегмента будет иметь вид Обозначим перемещение машины за время одного взмаха (хода) ножа через h, время t = и взмах ножа через S, тогда Относительная скорость ножа - скорость, выраженная в зависимости от его перемещения вдоль пальцевого бруса.

Дифференцируя уравнения (1.5) по времени, найдем скорость:

Из уравнения (1.5) находим:

тогда Разделив обе части уравнения (1.8) на (гю) и возведя в квадрат, получим:

Последнее выражение представляет собой эллипс. Таким образом, график изменения скорости ножа определяется эллипсом с полуосями r и rю, центр которого совпадает с центром кривошипного вала (рис. 1.17). Проанализируем уравнение скорости сегмента:

Выразим это графически. Каждому перемещению сегмента соответ-1 ствует определенная скорость на графике (рис. 1.17).

Если взять отношение масштабов (при графическом построении), то получим полуокружность (рис. 1.18) диаметром, равным ходу ножа S с центром в точке О.

Ускорение ножа найдем, дифференцируя уравнение скорости сегмента:

Если вместо costot подставим его значение из уравнения (1.5), то получим:

Это уравнение прямой линии, т.к. величины r и о постоянны.

При х = 0 jx=r 2=jmax;

Графически это представлено на рисунках 1.17,1.18.

Характер зависимостей V' = f(x) и j' = f(x) для дезаксиального механизма показан на рисунке 1.17 пунктирными линиями, максимальная скорость в этом случае на 7-9 % больше, чем у центрального механизма, разница отклонения максимальных ускорений не превышает 7 %. Сдвиг между максимальными значениями скоростей и ускорений для механизмов этих типов по углу поворота кривошипа составляет 16-180.

Ввиду небольшого различия в кинематических показателях центрального и смещенного механизмов расчет параметров срезающего устройства возможно вести исходя из рассмотрения наиболее простого из них центрального.

Скорости резания стеблей Скорость резания, определяемую скоростью движения ножа уборочной машины, можно характеризовать средним её значением. Однако для анализа условий срезания стеблей лучше воспользоваться ее значением в процессе резания, т.е. определить рабочие скорости, которые для различных устройств неодинаковы.

Будем исходить из положения, что нож перерезает стебли у кромки; пальца, и найдем значения скоростей в начале и конце резания.

Построим график скорости ножа, отнесенной к его перемещению X, взяв масштаб скоростей у- в м/с на 1см (рис. 1.19 а). Для этого от выбранной точки Ао сегмента откладываем отрезок АцО = r и из точки О радиусом кривошипа r проводим полуокружность.

При перемещении сегмента слева направо на пути XH его режущая кромка АоВо будет подводить растения к левой кромке CoD0 противорежущей пластины.

Часть лезвия А0А из-за перекрытия отростками пальцев на стебли не воздействует. Как только точка А лезвия сегмента АоВ0 соприкоснется с кромкой CoD0, начнется процесс срезания стеблей. Точка Ао при этом переместится в положение AI, поэтому скорость начала резания VH в принятом масштабе определится отрезком YH = AICI и будет VH= Yн Резание закончится в тот момент, когда нож переместится на отрезок Хк и верхняя точка Во режущей кромки перейдет в положение В2. Так как за то же время точка А окажется в положении А2, скорость конца резани VK определится отрезком Yк = А2С2, т.е.

будет V2 = Ук • v. Следовательно, процесс резания растений происходит в тот период, когда точка сегмент перемещается на участке Хр=Хк-Хн. Рабочие скорости резания у аппаратов нормального резания близки к максимальному значению скорости ножа У аппаратов низкого резания (рис. 1.19 б) срезание стеблей происходит у среднего и крайнего пальцев. Скорости V`н и V``н начала резания у среднего и крайнего пальцев соответственно составляют Vн'=Yн'* v и VH"=YH". v а скорости конца резания V`к =Yк'* v и Vк"=Y``к* v Как следует из приведенного графика, резание происходит с непостоянной рабочей скоростью. Особое опасение вызывает низкая скорость начала резания у среднего пальца, не превышающая 0,5 м/с, что может служить причиной недоброкачественного среза стеблей в этот момент и забивания срезающего устройства.

Уменьшение ширины пальцев от 25 до 18 мм позволяет довести начальную скорость резания у среднего пальца до 0,7-0,8 м/с. Для повышения работоспособности таких устройств требуется более тщательная регулировка зазоров и хорошая заточка лезвий.

Чтобы обеспечить необходимые рабочие скорости срезания растений и доброкачественную работу срезающего устройства, необходимо среднюю скорость движения ножа Vcp, согласовать со скоростью поступательного движения машины VM.

Наилучший технологический эффект работы, например, тракторных косилок, определяется соотношением Значение рабочих скоростей срезания зависит также от того, отцентрирован нож или нет. Нож считается отцентрированным, если осевые линии пальцев и сегментов в крайних положениях совпадают или смещены на одинаковые отрезки в противоположные стороны.

График пробега активного лезвия сегмента Построение графика производится следующим образом (рис. 1.20). За время перемещения сегмента вдоль пальцевого бруса на расстояние S машина пройдет путь h и сегмент из положения 1 переместится в положение 2. При обратном ходе ножа сегмент переместится в положение 3. При этом все точки сегмента будут описывать в пространстве косинусоиды. Например, точка В опишет косинусоиду ВВ'В"В"', если поместить начало координат в точке В, уравнение которой Построение косинусоиды показано на схеме (рис. 1.21). Траектория абсолютного движения какой-либо точки А ножа (рис. 1.21) может быть получена графически сложением двух движений относительного и переносного. Для этого на оси Y откладываем отрезок равный в масштабе подаче h, через точку А проводим полуокружность радиусом г, соответствующую траектории движения пальца кривошипа при повороте его на угол t =. Отрезок h и полуокружность разбиваем на одинаковое число частей. Затем находим точки пересечения вертикалей, проведенных из точек деления окружности и горизонтальных линий, проходящих через соответствующие деления подачи h. Точки пересечения лежат на траектории абсолютного движения точки А сегмента. По эквидистантна траекториям будут двигаться любые точки лезвия ножа Отгибы стеблей при срезе Вели рассмотреть график пробега активного лезвия (см. рис. 1.20,1.2I), то можно установить, что растения, расположенные на площадке adB'a`d'c'a, будут отклонены движением лезвия А'В' вправо и срезаны у вкладыша на участке d'c'. Отклонения стеблей такого рода при срезе называют поперечным отгибом. Растения, расположенные на площадке сас`c срежется в точке с'. Такое отклонение стеблей по ходу машины называется продольным отгибом.

При расчетах срезающих устройств важно знать максимальные значения сречных и продольных отгибов растений при срезе.

Аналитически максимальное значение поперечного отгиба равно:

(1.13) In - шаг противорежущих пальцев, мм;

1>» ширина средней части пальца, мм;

г - радиус кривошипа, мм;

Ь - подача машины, мм.

Длина отделенной части стебля при этом отгибе равна:

Аналитически максимальное значение продольного отгиба равно:

А = 1,29 для однопробежных режущих аппаратов;

Л " 0,77 для двухпробежных режущих аппаратов;

h - подача машины;

h' - высота сегмента.

Длина отклоненной части стебля при продольном отгибе равна:

(1.16) Диаграмма отгибов стеблей Диаграмму отгибов стеблей обычно строят для стеблей растений, расположенных в одном рядке у кромки пальца по ходу машины (рис. 1.22). Предворительно строят график пробега активного лезвия. Затем строят прямоугольный треугольник abc с катетами ас = r и bс = h. Положение гипотенузы покажет направление поперечного отгиба растений, qmaxпоперечный отгиб. Стебли рядка на участках АВ и ДЕ срежутся у лезвия пальца 1 при движении сегмента влево. Высота стерни на этих участках после прохода срезающего устройства будет равна высоте установки устройства над земле й Нст.

Стебли, расположенные на участке ВС, движением лезвия сегмента мправо будут отклоняться к пальцу 2 и срезаться у его кромки с поперечным отгибом qmax. Растения на участке СД будут отклоняться вдоль хода машины и срезаться в точке Д движением лезвия сегмента влево.

Наибольший продольный отгиб imax равен отрезку СД для стебля, расположенного в точке С, наименьший imax = 0 (для стебля в точке Д).

Длина стерни равна:

Как видно из рисунка 1.22, 1тax невелико. Основное значение имеет поперечный отгиб.

Работа срезающего устройства низкого резания больше удовлетворяет агрогехническим требованиям, нежели аппарат нормального резания. Работа срезающего устройства комбайнов отличается более высокой их установкой над землей (Н = 15 см) и повышенным значением (h = 120 мм).

При значительных отгибах стеблей возникает опасность выскальзывания их из раствора режущей пары. Поэтому для аппаратов нормального резания рекомендуется, чтобы Imax qmax.

Площади подачи и нагрузки на лезвие сегмента Площадь подачи Fn - это та площадь поля со стеблями, на которой происходит их срез одним сегментом за один ход ножа.

Для определения площади подачи вначале построим график пробега (рис. 1.23). На заштрихованной площадке стебли уже были срезаны лезвием АВ при ходе ножа влево.

Площадь подачи Fп по форме может быть в виде фигуры, ограниченной точками 1-2-3Эта фигура ограничена косинусоидной и прямой линиями.

Так как относительное и переносное движение ножа характеризуется уравнениями тo площадь подачи будет:

Тогда для аппаратов нормального резания Fп =hS = ht0 =ht — однопробежный;

Площадь нагрузки на лезвие сегмента - это та наибольшая часть площади подачи, на которой сегмент срезает растения за один ход ножа у одного из пальцев.

Площадь нагрузки Fп на лезвие определяется типом устройства и равна:

Для устройств нормального резания Fн = Fп и К = 1, т.к. все стебли срезаются за один ход ножа у одного пальца. Для устройств с двойным пробегом ножа:

у первого пальца Fн’ = 0,32 Fн у второго пальца Fн“ = 0,18Fn.

У таких устройств нагрузка меньше и Fн = 0,32.

Характер резания стеблей и условия их защемления Наиболее благоприятные условия для работы срезающего устройства воздаются в том случае, когда происходит резание со скольжением, характер резания зависит от соотношения скоростей ножа Vн, машины Vм, и формы сегмента, угла а (рис. 1.24).

Из рисунка 1.24 следует:

Характер резания определяется направлением результирующей скорости Vp (рис. 1.24).

Ее проекция на направление лезвия ножа равна Для характеристики скольжения лезвия по стеблю принимается коэффициент скольжения:

Где y-угол между нормалью к лезвию и абсолютной скоростью Vp.

если, wt = 90°, то возможны следующие три варианта:

4) Условие, когда tg характеризует отсутствие скольжения лезвия по стеблю.

При других углах поворота кривошипа cot скорость Vл может быть направлена к верхнему основанию сегмента. При этом нож стремится вытолкнуть стебель из раствора режущей пары. Наиболее благоприятное условие для срезающего устройства выражено зависимостью (1.21). Скорость Vл за полный ход ножа меняет знак два раза, поэтому сначала стебель проскальзывает к нижнему основанию сегмента, затем к верхнему и наобот. В результате стебли по всей длине лезвия распределяются равномерно. Таким образом, условие (1.21) оптимально для работы ножа в тот период, когда он наклоняетяет и подводит стебли к противорежущей пластине.

Для отечественных срезающих устройств отношение находится в пределах 0,45/0,6. Превышение этого показателя приводит к нечистому срезу стеблей. Отношение во многом определяется углом а наклона лезвия сегмента. Для жаток и косилок = 29°, для насеченных сегментов Для обеспечения качественного среза стеблей необходимо условие, при котором будет отсутствовать выталкивание стеблей из раствора режущей пары: сегмент-противорежущая пластина (рис. 1.25).

Предельный угол w = + раствора режущей пары, не происходит выскальзывание стебля, называется углом защемления.

Введем обозначения: N1 и N2 - нормальные реакции на стебель со стороны соответственно лезвия сегмента и противорежущей пластины;

1 и 2 - углы трения стеблей с лезвием сегмента и противорежущей пластины.

Возникающие силы трения между стеблем и лезвиями режущей пары равны При принятой системе координат XOY (рис. 1.25) условие равновесия стебля будет равно:

Чтобы стебель не выталкивался, необходимо соблюдать условие Из второго уравнения (1.22) выразим N2 и подставим его в последнее выражение, после преобразований получим:

отсюда Итак, условие защемления стеблей в растворе режущей пары будет иметь вид:

В зависимости от влажности стеблей сумма углов трения для пшеницы равна 20-35°, для трав - 25-60°. Если сегменты с насечкой, то 1 + 2 на 30-50 % больше. В связи с этим угол раствора режущей пары следует брать 30-45°.

После того, как произойдет защемление стебля, он начнет перемещаться вместе с машиной и качество среза его будет зависеть от относительной скорости ножа.

1.1.6 Основы теории срезающих устройств для скашивания толстостебельных культур Особенности работы Особенности работы срезающих устройств при скашивании толстостебельных культур обусловлены их физико-механическими свойствами.

Большой диаметр стеблей кукурузы, подсолнечника, тростника и т.д. (40-60 мм) требует значительного усилия и времени на перерезание. Жесткость стерни способствует возникновению значительных усилий, действующих на срезающий аппарат в вертикальной плоскости. Все эти факторы являются сопутствующими и усугубляющими условия срезания.

Условно срезающие устройства для толстостебельных культур можно разделить на три группы: 1) сегментные; 2) дисковые; 3) комбинированные.

Срезающие устройства первой группы наиболее распространенные, применябтся в основном для скашивания стеблей кукурузы. Срезающие устройства второй и третьей групп применяются для скашивания и перерезания стеблей тростника и других культур.

Резание толстостебельных сельскохозяйственных культур сегментации устройством Если рассмотреть взаимодействие перерезаемого стебля со срезающим устройством сегментного типа (рис. 1.26) в процессе движения комбайна скоростью VK, то нетрудно увидеть, что за время перерезания стебля пройдет путь Это время может быть представлено так:

Где d- диаметр стебля, мм;

Vр- средняя скорость резания, м/с;

-угол наклона лезвия сегмента к направлению движения комбайна, град.

Скорость резания - величина переменная. Средняя относительная скорость резания ровна:

Где n-число оборотов кривошипа в минуту;

s- ход сегмента за оборота кривошипа, мм.

Таким образом, путь SK, пройденный комбайном за время перерезания стебля выразится так:

Если в качестве примера взять параметры срезающего устройства комбайна КС-1,8, т.е.:

Vк = 1500 мм/с; S = 90 мм; п = 460 с-1, = 38° и определить путь, проходимый комбайном за время перерезания стебля (при dст=30 мм), то получим:

Предположим, что стебель в начале срезания наклонен в сторону, противоположную движению комбайна (положение 1, рис. 1.26). Тогда в процессе его перерезания срезающее устройство, увлекая стебель, наклоняет его вперед (положение 2).

Срезающее устройство, двигаясь параллельно почве на высоте h, перемещается из точки А в точку А1, сечение же стебля будет стремиться двигаться по дуге АА1' (траектория т. А).

В результате такого связанного перемещения стебель, почва и срезающее устройство должны деформироваться, чтобы ликвидировать прирост h высоты стебля по вертикали в результате его поворота.

В другом случае, когда срезающее устройство встречает в начале резания прямостоящий стебель (положение 2), последний в процессе срезания наклоняется в положение 3. При этом происходит уменьшение высоты стебля по вертикали на величину ' и на все связанные элементы (сегмент, стебель и почва) действуют силы обратного направления.

Для определения величины в качестве примера воспользуемся рисунком 1.26, полагая, что АА1- путь комбайна, на протяжении которого перерезается стебель. Из ОАА1:

или, подставляя сюда значения SК, получим:

Подставим численное значение Sк= 41,5 мм, h = 100 мм:

Во втором случае, т.е. при уменьшении высоты стебля по вертикали, имеет такую же величину, но с обратным знаком.

Для работы срезающего устройства имеет важное значение деформация сегмента (изгиб) под влиянием вертикальных сил, возникающих при рассмотренных нами явлениях, в первом случае, когда стебель перемещается из положения 1 в положение 2, на сегмент действует сила P1, направленная вверх. Во втором случае при перемещении стебля из положения 2 в положение 3 на сегмент действует сила Р2, направленная вниз.

При экспериментальных исследованиях этих сил было установлено, что они лежат в пределах: P1=60-70 кг - сила вдавливания стебля в почву, Р2 = 90-100 кг - сила выдергивания стебля из почвы.

В работе сегмент находится под непрерывным воздействием усилий, меняющих направление и величину в вертикальной плоскости. Вследствие этого основным видом опасных деформаций сегментов при скашивании толстостебельных культур является их изгиб.

Помимо рассмотренных сил, действующих в вертикальной плоскости, на сегмент действуют силы в горизонтальной плоскости. Это силы реакции среза (рис. 1.27). Реакцию Q от перерезаемого стебля можно разложить на составляющие:

Q1 нормальную к лезвию сегмента, Q2 - вдоль лезвия. I Сила Q2 зависит от угла а и вызывает в процессе резания скольжение стебля по лезвию, что снижает усилие резания. С увеличением угла Q2 увеличивается, т.к. Q2 = Q sin, следовательно, будет уменьшаться энергоемкость процесса резания, что особенно важно при резании толстостебельных культур. Однако сила Q2 направлена наружу из режущей пары, т.е. при определенном ее значении стебель начнет выскальзывать из раствора режущей пары. Обычно считают, что пределом увеличения угла а является угол, при котором общий угол между кромкой сегмента и вкладыша (угол защемления) окажется равным сумме углов трения стебля об эти кромки:

при w стебель удерживается в растворе «сегмент-вкладыш»;

Однако нужно иметь в виду, что специфичным для срезания толстых стеблей является возникновение значительных сил, удерживающих стебли в растворе режущей пары. Эти силы возникают вследствие сопротивлешя стеблей продольному изгибу, вызванному фронтальным движением жатки Величина же силы сопротивления отгибу зависит от диаметра и влажности стебля и состояния почвы.

Учитывая это, сопротивление в срезающих устройствах для толстостебельных культур принимают углы защемления несколько больше ( НА 10-15 %), чем в аппаратах зерновых жаток. В результате за счет скольжения улучшаются условия резания.

Критический угол защемления, т.е. угол, выше которого снижает работоспособность режущей пары, в значительной степени зависит от состояния режущих кромок. Достаточно сказать, что в зависимости от остроты лезвий критический угол защемления изменяется в пределах 20-80°.

Обоснование параметров режущей пары ручьевых жаток комбайнов Расчетным расстоянием между лезвиями противорежущих пласти является расстояние t1 основания сегмента (рис. 1.28), которое определяют исходя из необходимости входа в него диаметра стебля.

В качестве расчетного диаметра принимают максимальный диаметр dmax стебля.

Из рисунка 1.28 следует:

где у – угол наклона стебля.

Раствор противорежущей пластины t2. Если растения отклонены линий рядка на величину 2, то захват стеблей будет обеспечен:

Пример: dmax = 50 мм, H = 100 мм, t2 = 200 мм.

Пo формулам (1.32) и (1.31) получим:

Cos y = 0,7;t1 = 71 мм.

Практически t1 = 70/90 мм.

Величина максимального поперечного отгиба стебля диаметром dmin ровна:

где dmin = 8 мм и q = 131,5 мм.

Это значительная высота, увеличивающая потери. Потому при возделывании толстостебельных культур стремятся уменьшить разброс стеблей оситсльно линии рядка, а в конструкциях режущих аппаратов не завышать значение t2.

Резание толстостебельных культур дисково-роторным срезающим устройством Опыт эксплуатации сегментных режущих аппаратов на уборке толстостебельных культур свидетельствует о несовершенстве конструкции и рабочего органа. Недостатки конструкции сегментных режущих аппаратов достаточно освещены в литературе /3, 4, 7, 17, 22/. Следует только добавить, что при уборке толстостебельных культур возникают дополнительные неравномерные нагрузки на сегменты срезающих устройств, в результате плохое качество среза стеблей, частые поломки сегментов, увеличение энергоемкости.

Большие конструктивные недостатки срезающих устройств вызвали необходимость создания дискового (ротационного) аппарата. Несмотря на некоторые недостатки (сложность привода и др.), ротационные режущие аппараты в последнее время находят все большее распространение.

Рассмотрим некоторые вопросы теории резания дисковым аппаратом (рис. 1.29).

Величину и направление абсолютной скорости любой точки лезвия диска можно определить графически, если задаться величиной Где U - окружная скорость диска, м/с;

Vм- поступательная скорость машины, км/ч.

расстоянии п:

Следовательно, Чем больше Л, тем ближе к центру О располагается мгновении центр п. Скорость точки А будет равна:

где га - мгновенный радиус вращения.

векторы скоростей этих точек, но повернутые на 90 против вращения диска.

Из рисунка 1.29 видно, что Величину скорости любой точки лезвия диска можно подсчитать ана литически из треугольника О А:

Из рисунка 1. Коэффициент поперечного перемещения ножа равен:

Следовательно, коэффициент т зависит от положения точки на лезвии диска (угол ) и величины Л.

Таким образом, зная положение мгновенного центра вращения можно легко определить направление и величину абсолютной скорости любой точки режущей кромки диска.

Если абсолютная скорость точки лезвия диска Va находится вне угла трения, между стеблем и диском, отложенного от нормали в этой точке, то в этой точке лезвия будет скольжение материала и начнется процесс резания. Если скорость Va находится в пределах угла, то стебель будет сминаться без перерезания.

Имея это в виду, можно сделать анализ любого режущего диска на наличие процесса срезания стеблей.

Срезюние толстостебельных культур комбинированным дисково-сегментньим срезающим устройством Комбинированное срезающее устройство для толстостебельных культур представляет собой диск (или два) с укрепленными на нем сегментами. При вращении диска лезвие сегмента встречает стебель растения и на большой скорости перерезает его. Такие аппараты предназначены для безопорного среза. В настоящее время эти аппараты находят все большее распространение.

На рисунке 1.30 представлен комбинированный диск режущего аппарата. Во время работы диск с сегментами вращается в горизонтальной плоскости, а машина перемещается поступательно слева направо в направления оси X. Каждая точка лезвия сегмента при этом сложном движении описывает циклоиду (трохоиду).

Принимая всю длину лезвия аа1 за активный элемент сегмента, получим площадку, ограниченную двумя трохоидами 1 со срезанными растениями. Из рисунка 1.30 видно, что соседний сегмент с лезвием ев; срежет растения на площадке, ограниченной трохоидами 2.

Верхняя заштрихованная площадка, ограниченная трохоидами обоих сегментов, определяет площадь холостой работы второго сегмента, так как растения., которые стояли на этой площадке, были срезаны первым сегментом.

Ha рисунке 1.30 также показана площадка (заштрихованная крестообразно), ограниченная трохоидами 1 и 2, на которой растения не будут срезаны.

Напишем уравнения движения для точки :

где VM — скорость машины.

Уравнения движения для точки в:

Хв' =Vмt + R*sin( + t), Нескошенной площадки не будет, если где l - длина активной кромки лезвия;

- угол постановки режущей кромки сегмента.

Лезвие аа1 пройдет через ось X при угле поворота диска. Следовательно, время поворота диска на четверть окружности составит:

Подставляя это выражение в уравнение (1.43), получим:

Второй сегмент вв1 пройдет через ось X при угле поворота:

Определяя из последнего (1.46) выражения t' и подставляя его в уравнение (1.43), получим:

Подставляя величины Ха". и XB" в уравнение (1.43), получим:

Откуда Если на диске укрепить четыре сегмента, то они образуют прямой угол,а угол и тогда Эти уравнения связывают между собой три параметра (h, n и VM) машины.

Пользуясь данным уравнением, можно по любым двум параметрам определить третий.

Время t пути сегмента при повороте диска на угол Л (при четгырех сегментах) может быть выражено следующим образом:

где V0 - окружная скорость, м/с.

За это время машина пройдет путь откуда ловие Чтобы лезвие работало всей своей длиной, необходимо соблюдать условие откуда Например, при R = 0,3 м, l = 0,05 м и a = 30° имеем, при меньших отношениях остаются непрокосы.

1.2 МОТОВИЛА УБОРОЧНЫХ МАШИН

Мотовило применяется в жатках уборочных машин как вспомогательный орган, способствующий более полному подрезанию стеблей срезающим устройством и осуществляющий передачу срезанных стеблей на транспортер или шнек жатки.

Необходимость применения мотовила объясняется тем, что режущий аппарат давит на стебли и отклоняет их вперед. Поэтому может оказаться, что стебли пройдут под срезающим устройством и останутся несрезанными или же после срезания упадут вперед на землю. При редком хлебостое стебли располагаются на значительном расстоянии друг от друга и под влиянием толчков со стороны подрезающего их ножа могут сваливаться в беспорядке на пальцевый брус, транспортер, загромождать нож, затрудняя его работу. Это затрудняет условия формирования валка при раздельной уборке и в конечном итоге отрицательно влияет на качество работы молотильного устройства комбайна.

Таким образом, правильно работающее мотовило должно подхватывать (отделять) стебли заранее, подводить их к ножу, поддерживать во время срезания и укладывать срезанные стебли на транспортер (или под шнек).

Практически мотовило из-за несогласованной работы со срезающим устройством является причиной больших потерь: несрезанными стеблями, срезанными и упавшими на землю, вымолоченными планкой мотовила из колоса, свободным зерном.

По устройству и действию мотовила бывают с радиально расположенными планками (жестко-планчатое), эксцентриковое (параллелограмное) и копирующее.

Мотовило с радиальным расположением планок (рис. 1.31а) состоит из вала 4, на котором закреплены крестовины 3, жестко соединенные лучами 2 с планками 1. Для придания жесткости лучи соединены стяжками 5. При вращении вала планки мотовила совершают вращательное движение.

Такие мотовила удовлетворительно работают только при уборке прямостоящего хлеба, при уборке полеглых хлебов планки мотовила не очищают срезающее устройство от срезанных стеблей и они падают на землю. Кроме этого, между траекторией конца планки мотовила и витком шнека жатки образуется некоторая зона, в которой скапливаются стебли. А это приводит к неравномерному питанию молотилки.

Эксцентриковое (параллелограмное) мотовило (рис. 1.31 б) состоит из вала 4, лучей 2, обоймы 2 и труб 8 с пружинными пальцами 9. Трубы установлены в подшипниках лучей и кривошипом шарнирно связаны с лучами 10 кольцевой обоймы.

Лучи 2 вращаются относительно шарнира А, лучи 10 – относительно шарнира Д.

Расстояние между шарнирами А и Д равно длине части звена ВС, а длина АВ равна расстоянию ДС. Таким образом, лучи 2 и 10, кривошип ВС трубы и неподвижное звено АД образуют параллелограмный механизм АВСД. При вращении вала 4 сохраняется параллельность звеньев АВ и ДС и АД || ВС. Так, если звено АД не изменяет своего положения, то звено ВС в процессе движения остается параллельным самому себе, т.е.

совершает круговое поступательное движение. Так же движутся пальцы и планки, жестко соединенные со звеном ВС.

Угол наклона пальцев а можно регулировать изменением положения оси Д, чем достигается оптимальная настройка мотовила в работе при разном состоянии стеблестоя.

Эксцентриковое мотовило удовлетворительно работает как на прямостоящем, так и на полеглом стеблестое. Однако при уборке короткостебельных культур оно плохо подает стебли к шнеку.

Копирующее мотовило (рис. 1.31 в) снабжено лучами с поводками 12. Поводки перекатываются по беговой дорожке авс, за счет чего точки планок, закрепленных на лучах, перемещаются по траекториям, расположенным близко к срезающему устройству 7 и шнеку 6. Этим создается равномерное питание последующих рабочих органов машины.

Такими мотовилами оборудуют жатки для уборки короткостебельных сортов зерновых колосовых, бобовых, крупяных и других культур.

1.2.2 Кинематика мотовила Траектории движения планки мотовила Планка мотовила совершает сложное движение, переносное вместе с машиной со скоростью VM и относительное с угловой скоростью w вокруг оси мотовила О. При этом окружная скорость где R - радиус мотовила.

В зависимости от соотношения скоростей VM и U абсолютная траектория точки планки мотовила может иметь вид укороченной или удлиненной циклоиды (рис. 1.32).

Если отношение скоростей Л=, то абсолютная траектория точки планки представляется в виде укороченной циклоиды. При таком режиме работы мотовила абсолютная скорость точки планки мотовила в крайнем нижнем положении равна нулю.

Это значит, что в момент срезания стеблей мотовило на них не воздействует, и этим объясняются большие потери стеблей.

Если Л < 1, то абсолютная траектория точки планки мотовила - удлиненная циклоида, когда скорость планки в момент среза направлена вперед по направлению движения машины. В таком случае срезаемые стебли планкой мотовила отклоняются от срезающего устройства и теряются.

Если Л > 1, то абсолютная траектория точки планки выглядит в виде циклоиды (трохоиды), образуя в средней части петлю трохоиды. Скорости планки в области петли направлены так, что способствуют процессу срезания (рис. 1.32).

Уравнение трохоиды получим, если выберем начало координат в точке О, направим ось X в сторону движения машины, а ось Y вниз (рис. 1.33).

За время t центр мотовила О переместится в положение О1 на величину пути Vм• t, конец планки мотовила повернется на угол = wt и займет положение A2. Тогда текущие координаты точки А будут:

В свою очередь тогда следовательно Если обозначить показатель кинематического режима работы Л=, то окончательно:

Скорости точек планки мотовила и их анализ Скорость точек планки мотовила в системе осей ХОУ можно получить, продифференцировав выражения (1.57) Имея в виду, что, получим:

Скорость абсолютного движения точек конца планки мотовила будет равна:

Заменяя Ux и Uy их значениями из выражения (1.58), получим:

В точках А и Е абсолютной траектории планки мотовила (рис. 1.34) скорости планок одинаковые по величине, но направлены в первом случае вниз (на погружение планки в стебли), во втором случае вверх (выход из стеблей).

Отрезок А,Е, - самая широкая часть петли трохоиды. Полезная работа планки мотовила совершается на участке А1 Е1. Ширину петли можно увеличить за счет удлинения радиуса R или увеличения Л. Однако R обуславливается конструктивными соображениями.

Увеличение Л возможно только за счет повышения ш, но это приводит к потерям (вымолоченным планкой) зерна из колоса. Практически Л = 1,4/2,5.

Проблема повышения рабочих скоростей жатвенных машин требует снижения числа планок мотовила или создания безмотовильной жатки.

Выбор режимов работы мотовила Рассмотрим последовательно, как воздействует планка мотовила на стебли от момента ее входа в стеблестой в процессе среза стеблей срезающим устройством и затем выхода из стеблестоя и укладки срезанных стеблей на транспортер жатки.

На рис. 1.34 изображена окружность - относительная траектория планки мотовила и петля трохоиды - абсолютная траектория.

Определим абсолютные скорости наиболее характерных точек, представленных траекторией ABCDE. Если скорость Va в этих точках выходит за пределы углов трения между вершиной планки и стеблем, то планка скользит по стеблестою. В том случае, когда Va находится в пределах угла трения ф, планка захватывает стебли, увлекая их.

Имея в виду это условие, проведем анализ рабочих зон мотовила. Дня этого радиусом r = R * sin, где - угол трения стебля о планку, проведем из центра 0 окружность. Через мгновенный центр Р вращения, расположенный от О на расстоянии, проводим касательные к окружности радиуса г -DK и ВМ, которые разделили окружность на 4 зоны трения и скольжения планки по стеблям.

В точке А' петли трохоиды планка входит в стебли и начинает погружаться в них со скоростью Vабс, направленной вертикально вниз и равной:

VаA=p*A.

Перенесем все характерные точки с окружности на трохоиду. Из рисунка 1.34 видно, что, начиная с точки А' до точки В', планка, входя в стебли, начинает их подгибать к режущему аппарату. Скорость планки (абсолютная) все время будет направлена к режущему аппарату, величина ее будет меняться. На участке А'В' траектории планки происходит относительное проскальзывание планки по стеблям вниз. В точке В' трохоиды планка уже не скользит по стеблям, а пригибает их к режущему аппарату, и такое действие продолжается до точки D'. От точки D' до точки Е' начинается относительное проскальзывание планки по стеблям вверх. Векторы скоростей от VаА до VаВ, лежат вне пределов угла трения ф.

Векторы скоростей от VаВ и VаD лежат в пределах угла трения ф (планки по стеблям). В пределах зоны от точки Д' до точки Е' абсолютные скорости всех точек также находятся вне углов трения ф и поэтому в этой зоне имеет место скольжение планки по стеблям. Так как в этой зоне планки выходят из хлебной массы, то такой режим работы целесообразен.

1.2.3 Взаимодействие мотовила со стеблем Степень воздействия планки мотовила на стебель Каждая планка мотовила начинает действовать на стебель (рис. 1.35) в точке А, для которой Ux = 0, и наклонять его, пока движется по циклоиде АВ. В точке В, находящейся над срезающим устройством, планка по отношению к срезанным здесь стеблям начинает перемещаться по дуге радиусом R, очищая при этом срезающее устройство.

Определим отрезок пути Х, на котором планка воздействует на редко стоящие стебли и подводит их к ножу:

Координаты Ха и Xв„ согласно (1.56) равны:

Xa=Vм *tа.+R*cos ta, учитывая, что После преобразований получим:

Для мотовила, имеющего Z планок, отрезок пути, на котором они воздействуют в течение одного оборота, соответственно будет равен Z • Х.

Степень воздействия планки мотовила на стебли определяется отношением пути, на котором планки захватывают и наклоняют стебли ко всему пути, пройденному машиной за то же время. Это отношение называют коэффициентом воздействия мотовила на стебли.

Относя это ко времени одного оборота мотовила с учетом, что, запишем выражение для коэффициента воздействия мотовила n когда его вынос С = 0:

Обычно = 0,2/0,8. Чтобы увеличить коэффициент n, следует увеличить число планок Z, вынос мотовила С, а так же величину. С возрастанием к, например, от 1,3 до 2, коэффициент воздействия увеличивается более, чем в 4 раза.

С возрастанием скорости жатки воздействие мотовила на стебли необходимо уменьшать. По рекомендациям ВИСХОМа, при увеличении скорости движения жатки от 0,65 до 2,0 м/с следует уменьшить от 1,7 до 1,1.

Кинематический режим работы мотовила следует выбирать с учетом конкретных условий, обеспечивая минимум потерь колосьев и зерна за жаткой при действии планок на стебли.

Установка вала мотовила по высоте и вынос его Правильно установленное по высоте мотовило должно обеспечить выполнение двух требований: не отклонять стебли в сторону движения машины и не переваливать их через планки.

Чтобы планка подводила стебли к ножу, она должна на участке A1-Аз (рис. 1.33) двигаться навстречу ему. Горизонтальная составляющая окружной скорости Ux будет направлена при этом в сторону, обратную движению машины. Для выполнения первого требования необходимо, чтобы в момент вхождения в хлебную массу скорость планки Ux Следовательно, мотовило по высоте надо устанавливать так, чтобы точка А1 находилась на уровне высоты стеблестоя lст Высота установки оси мотовила над линией ножа из рисунка 1.33 равна:

Выполнение второго требования обеспечивается таким расположением мотовила по высоте, чтобы центр тяжести стебля в момент его среза находился ниже планки мотовила.

Вынос вала мотовила вперед относительно срезающего устройства необходим для достижения наиболее эффективной работы мотовила по полезности действий, качеству очистки срезающего устройства и подаче стебля к шнеку. Размер выноса определяется конкретными условиями, характеризующими убираемый хлебостой.

При уборке короткостебельных хлебов вал мотовила устанавливают так, чтобы траектория движения планки располагалась возможно ближе к срезающему устройству. Это обеспечивает лучшую его очистку и более равномерную подачу срезанных стеблей к шнеку.

При уборке полеглых хлебов вынос вала увеличивают и мотовило опускают ниже, одновременно повышая соотношение скоростей.

1.2.4 Наклон пальцев параллелограммного мотовила Параллелограммные мотовила для уборки полеглых хлебов позволяют добиться такой установки наклона пальцев, которая обеспечивает подъем и подвод стеблей к срезающему устройству.

Угол наклона пальцев ДА (рис. 1 -36) подбирают таким, чтобы стебли скользили по пальцам при их входе в хлебостой. Для этого необходимо, чтобы угол между нормалью N и окружной скоростью U точки А был больше угла трения стебля о палец, т.е. >.

Из рис. 1.36 следует, что угол а = 90°+ Найдем значение угла из соотношения

ФОРМУЛА

где Ux =Vм –U*sin wt и Uy =U*cos t.

После преобразований получим:

Тогда можно записать:

Так как для точки A sin t =, то угол наклона пальцев должен быть

1.3 МОЛОТИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

1.3.1 Технологические свойства культур, влияющие на обмолот Молотильные устройства предназначены для выделения зерна из колоса растения, початка, бобов и др. Процесс обмолота осуществляется за счет сложного вида деформации растения. Так, обмолот зерновых колосовых осуществляется за счет удара по колосу и его перетирания при протаскивании хлебной массы в рабочей зоне.

Прочность связи зерна с колосом значительна и неравномерна по его длине и зависит от вида культуры, стадии спелости и влажности.

При механическом воздействии на колос и обмолоте зерновых следует также учитывать прочность стеблей растения и самого зерна. Чрезмерные усилия удара по зерну приводят к его дроблению. Прочность зерна зависит от его формы, размеров, веса, влажности и других физико-механических свойств. Так, например, сухое зерно легко разрушается при скорости удара 24 м/с.

В настоящее время широко исследованы и представлены в справочной литературе сведения о физйко-механических и аэродинамических свойствах зерна различных растений в зависимости от различных факторов. Например, работа, затраченная на разрушение связей зерна с колосом ржи и пшеницы, составляет 0,6-3 Дж, 3 для ячменя 1,2-9,6 Дж.

При эксплуатации молотильных устройств, совершенствовании существующих или создании новых следует прежде всего опираться на наличие соответствующих физикотехнологических свойств, имеющих значение в данном процессе обмолота.

Вымолот зерна хлебных злаков во многом зависит от соотношения массы зерна и соломистой части растений, поданных на обмолот.

Для оценки соотношения зерна соломистой части растительной массы принимают коэффициент соломлстости, определяемый из выражения где mс - масса соломистой части растений;

Коэффициент соломистости убираемых хлебов изменяется в широких пределах: он больше у длинностебельных малоурожайных культур и меньше у короткостебельных хлебов с большой урожайностью зерна. Средние значения для пшеницы составляют 0,5/0,6, а для ржи 0,65/0,75.

При разработке и изготовлении различного рода молотилок для зерновых культур и оценке их работы следует принимать B0 = 0,6, т.е.

1.3.2 Классификация молотильных устройств и их рабочий процесс Известные молотильные устройства можно классифицировать по схеме, представленной на рис. 1.37. В основу такой классификации положены три признака конструкция молотильного элемента, количество барабанов и направление подачи растительной массы на обмолот.

МОЛОТИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

По конструкции рабочего молотильного элемента молотильные устройства подразделяются на бильные, штифтовые, планетарные и комбинированные.

Бипьные молотильные устройства состоят из вращающегося барабана 1 и неподвижного подбарабанья 5 (рис. 1.38 б, в).

Молотильный барабан имеет вал 7, штампованные диски, подбичники, прикрепляемые к каждому диску, и бичи 9, которые имеют ребристую рабочую поверхность. На барабане установлено четное количество бил с попеременным направлением ребер влево, затем вправо. Такое расположение равномерно распределяет обмолачиваемую массу и уменьшает осевое давление на подшипники вала.

Подбарабанье 5 представляет собой решетку 6, охватывающую по дуге окружности барабан (146°). Решетка подбарабанья образована поперечными планками, в которые вставлены продольные прутки диаметром 5 мм и шагом 14 мм.

Технологический процесс обмолота хлебной массы (по И.Ф. Василенко) протекает следующим образом.

Бичи ударяют по стеблям, увлекая их к подбарабаныо. Обгоняя слой стеблей, находящихся между барабаном к подбарабаньем, бич проходит по нему, сдвигая его перед собой. Каждый слой стеблей, расположенный выше, увлекает за собой силами трения слой, лежащий ниже. Верхние стебли проскальзывают по нижним. Наибольшее препятствие движению встречает самый нижний слой, который движется по ребристой поверхности подбарабанья. Удары бичей и скольжение их по стеблям, скольжение стеблей один по другому и по ребристой поверхности подбарабанья приводят к вымолачиванию зерен из колосьев и смятию, разрыву, перетиранию соломы. Деформация стеблей незначительна.

В процессе такого сложного движения хлебной массы можно выделить три основных фазы обмолота:

Первая - обмолот на входе хлебной массы в молотильный зазор при однократном ударе бича.

Вторая - обмолот за счет многократных ударов бичей по колосу, когда выделение зерна происходит за счет усталостного разрушения связи, зерна с колосом.

Третья - обмолот за счет перетирания (разрушения) колоса. В этом случае нарушаются более прочные связи с колосом.

Одновременно с обмолотом происходит просыпание вымолоченного зерна и мелких частей стебля и колоса через отверстия решетчатого подбарабанья.

К достоинствам бильного молотильного устройства относятся: незначительное дробление соломы и зерна, небольшое поступление мелкого вороха на очистку, что облегчает ее работу, возможность обмолота технических культур и семенников трав, удовлетворительное качество обмолота при нестабильной частоте вращения.

Недостатки - ухудшение качества обмолота и увеличение потерь при обмолоте длинностебельных хлебов и хлебов повышенной влажности, сравнительно невысокая производительность.

Штифтовые молотильные устройства состоят из вращающегося барабана и неподвижного подбарабанья (рис. 1.38 а). По краям вала барабана установлены два диска, третий средний диск не имеет опоры на валу. В квадратные отверстия стальных планок вставлены штифты 4. Подбарабанье 5 имеет три чугунные секции со штифтами, выполненные по форме дуги окружности.

Штифты на барабане расположены по винтовой линии, различают 2-, 3-, 4-, 5- и 6ходовые барабаны. Число планок и число ходов обязательно делается кратным. Рабочая часть штифта подвергается закалке. Штифты располагают на подбарабанье, чтобы между штифтами барабана и подбара-баньем зазор был больше ширины зерна обмолачиваемой культуры.

Технологический процесс обмолота штифтовым барабаном заключается в следующем:

штифты барабана ударяют и захватывают стебли, и сообщают им скорость, близкую к окружной скорости барабана; колосья ударяются о штифты подбарабанья, протаскиваются в промежутки между их боковыми поверхностями. При этом происходит выделение зерна, смятие и разрыв стеблей.

Хорошая захватывающая способность штифтового молотильного устройства повышает его производительность, улучшает обмолот влажных и засоренных хлебов, однако значительное дробление соломы загружает очистку и затрудняет выделение зерна.

На ход рабочего процесса такого молотильного устройства оказывают влияние также воздушные потоки, создаваемые барабаном. Но их закономерности остаются пока невыясненными.

Планетарные молотильные устройства находятся в стадии внедрения в современные зерноуборочные машины. Они состоят из многовальцового вращающегося барабана и вальцовой (решетчатой) деки (рис. 1.39).

На ступицах барабана шарнирно устанавливаются 5-9 вальцов малого диаметра (80- мм). Каждый валец имеет принудительный привод через планетарную или дифференциальную передачу. Направление вращения барабана и вальцов совпадает.

Каждый валец несет на своей поверхности несколько бичей или штифтов.

Подбарабанье комбинированное - решетчато-вальцовое. Вальцы могут быть свободно вращающимися или иметь свой механизм привода -вращаться принудительно.

В процессе работы такого устройства стеблевая масса попадает в рабочий зазор, подхватывается бичами (штифтами) вальцов и протаскивается с многократным воздействием вальцов на стебли. Вальцы подбарабанья являются подвижной опорой при обмолоте. Обмолот здесь происходит за счет деформации перетирания и удара по массе, такое устройство обеспечивает качественный обмолот зерновых колосовых и риса при высокой пропускной способности устройства (12-16 кг/с).

По количеству молотильных барабанов молотильные устройства классифицируются на одно- и двухбарабанные.

Однобарабанные (рис. 1.38 а, б). В процессе обмолота участвует один барабан и одно подбарабаяье. Такие устройства подробно описаны в предыдущем разделе.

Двухбарабанные (рис. 1.38 в, г). В процессе обмолота участвуют два барабана и два подбарабанья. Такие молотильные устройства существуют с промежуточным битером, подающим массу под себя (рис. 1.38 в) и через себя (рис. 1.38 г).

Установлено, что в схеме с поворотом потока через себя достигается лучшая сепарация зерна и большая производительность молотилки. В этой схеме меньше дробится зерно.

Однако такие устройства не всегда обеспечивают устойчивый технологический процесс.

Поэтому в современных комбайнах имеется возможность перестановки промежуточного битера по той или другой схеме.

При равномерности подачи массы преимущество двухбарабанного устройства заключается в том, что он позволяет повысить секундную производительность комбайна на 10-12 %. В таком устройстве первый барабан растягивает стеблевую массу, выравнивает нагрузку на второй барабан и позволяет вести обмолот в первом барабане при меньших оборотах, в результате чего основная часть зерна обмолачивается в мягком режиме - с меньшим дроблением зерна.

Недостатки двухбарабанных устройств: при обмолоте влажных и особенно засоренных хлебов возможно залипание решетчатой поверхности деки, сепарация зерна в молотильном устройстве резко снижается. Это явление приводит к тому, что клавишный сепаратор, имеющий меньшую длину, перегружается. Кроме того, сложность конструкции ограничивает их применение.

По направлению подачи растительной массы на обмолот молотильные устройства классифицируются на подающие поперечно барабану, со смещенной поперечной подачей и с продольной подачей.

Поперечно-подающие молотильные устройства пока нашли максимальное распространение в современных комбайнах (рис. 1.38). В них стеблевая масса подается на обмолот перпендикулярно оси молотильного барабана.

Молотильные устройства с поперечно-смещенной подачей стеблей на обмолот (рис.

1.40) отличаются высокой пропускной способностью и качеством обмолота, такое устройство готовится к установке на рисоуборочный комбайн «Кубань». Оно отличается тем, что стеблевая масса, поступившая на обмолот, сосредотачивается у одного края (выходного окна) молотильного устройства, расположенного поперек комбайна.

Молотильный барабан имеет деки, расположенные по винтовой линии, что обеспечивает обмолот и перемещение массы в противоположную сторону устройства и выход соломы в выходное окно.

В процессе перемещения стеблевой массы ротор с винтовым бичом осуществляет ее обмолот и сепарацию через отверстия корпуса молотильного устройства.

Создано высокопроизводительное молотильное устройство с продольной подачей стеблевой массы. В нем вымолот и сепарацию зерна из соломы выполняет ротор (рис. 1.41), ось вращения которого параллельна продольной оси молотилки. Ротор состоит из приемной, молотильной и сепарирующей частей, отличающихся конструкцией активных элементов, которыми ротор воздействует на поток стеблей.

Ротор заключен в цилиндрический кожух, составленный из обмолачивающей деки 2, сепарирующих решеток 4, винтовых направляющих, входного и выходного окон.

Растительная масса подается наклонным транспортером 8 в приемную часть, захватывается лопастями 1 и подается к бичам 3. Бичи, ударяя по колоскам, вымолачивают зерно и увлекают массу во вращение. Ударяясь о винтовые направляющие, масса перемещается от входа к выходу. Зерно и мелкие примеси проходят через отверстия решеток и подаются на очистку.

1.3.3 Пропускная способность Поступающая в молотильный зазор хлебная масса, с нарастающей скоростью (20- м/с) уносится бичами и не препятствует подаче следующей порции. Поэтому пропускную способность будем определять для условия входа хлебной массы, т.е. подачи:

где q - подача, кг/с;

д- толщина потока массы на выходе, м;

- длина барабана, м;

- коэффициент использования длины;

- плотность хлебной массы, кг/м;

Uхм. - скорость хлебной массы на входе, м/с.

Забивание молотильного устройства не произойдет, если бич сообщит приходящейся на его долю хлебной массе m импульс силы Р-, равный или больший количеству движения m-Uхм которое имела эта порция в своем движении до входа в молотильное устройство, т.е.

Порция хлебной массы в молотильном зазоре подвергается действию нормальной силы сжатия N (рис. 1.42), силы трения f1N, возникающей в зоне контакта между бичом и хлебной массой (она направлена по касательной к барабану в сторону его вращения), а также силы трения f2N, возникающей в зоне контакта между порцией хлебной массы и планкой подбарабанья, направленной в сторону, противоположную движению хлебной массы.

Ввиду малого зазора моментами от этих двух сил можно пренебречь.

Итак, импульс, сообщаемый барабаном хлебной массе:

где формула время ударного воздействия бича на порцию, с;

в - рабочая ширина бича, м;

V - окружная скорость барабана, м/с;

F1 коэффициент трения хлебной массы о бич;

F2- коэффициент трения хлебной массы о деку.

Масса хлебной порции, поступающей в молотильный аппарат:

где t - время между прохождением двух соседних бичей, с;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Однако где D - диаметр барабана, м;

М - число бичей на барабане, шт, тогда Из формулы (1.70) определим UX.M.:

и подставим в последнее выражение (1.75):

откуда подача:

Если ввести понятие о степени сжатия хлебной массы в молотильном зазоре, то не должна превышать критических значений, чтобы не было забиваний (для пшеницы ( = 6/7).

1.3.4 Основное уравнение работы молотильного барабана и его анализ Рассмотрим работу молотильного барабана радиусом г, вращающегося с некоторой постоянной угловой скоростью w и равномерно загружаемого хлебной массой m' (кг/с).

В соответствии с теорией В.П. Горячкина энергия, приведенная к молотильному устройству, расходуется на преодоление сопротивлений двух основных категорий:

Сопротивление трению в подшипниках и передаточных механизмах, а также сопротивление воздуху;

2. Сопротивление, связанное с процессом обмолота, в результате которого изменяется состояние обрабатываемого материала.

Мощность N, затрачиваемая на вращение барабана, складывается из двух составляющих /13/:

где N - мощность, затрачиваемая на первую категорию сопротивлений;

N2px - мощность, затрачиваемая на вторую категорию сопротивлений.

Величина N1 включает в себя мощности, затрачиваемые на преодоление трения (принимается пропорциональной скорости вращения) и преодоление сопротивления воздуха (принимается пропорциональной кубу угловой скорости барабана):

где А - коэффициент, представляющий собой момент сил трения;

В - коэффициент пропорциональности, зависящий от плотности воздуха, формы и размеров вращающихся частей барабана.

Для определения N2 следует учитывать, что действие барабана на хлебную массу сопровождается ударами и протягиванием ее в рабочей щели. Удары по хлебной массе следуют через короткие промежутки времени (0,0045-0,0075 с).

Полное окружное усилие Р на бичах или штифтах барабана складывается из силы Р1, потребной на удар, и силы Р2, потребной на преодоление сопротивления протягиванию массы сквозь рабочую щель, сопровождающегося перетиранием стеблей:

Воспользовавшись законом об изменении количества движения (импульса), определим силу и момент удара.

Обозначим время удара через t. Тогда при равномерной подаче захваченная масса за время одного удара одним бичом будет:

Так как солома обладает слабой упругостью, после удара она приобретает скорость V захватившего ее бича, представляющую собой окружную скорость барабана.

Следовательно, количество движения, которое приобретает солома массой m, будет равно m•V. По приращению количества движения определяется значение импульса силы из равенства P1 t= m(V-V0) Так как Vo = О, то сила удара момент силы удара Сила Р2 по В.П. Горячкину пропорциональна полному окружному усилию Р, т.е.

где f - коэффициент перетирания.

Коэффициент перетирания зависит от конструктивных особенностей барабана и подбарабанья, физико-механических свойств обмолачиваемого продукта и подачи. Его принимают равным 0,60/0,75 - для бильных и 0,7-^0,8 - для штифтовых.

С учетом значений P1 и Р2 зависимость (1.82) будет иметь вид:

Умножив обе части этого равенства на V, получим выражение для мощности N2:

Процесс работы молотильного устройства характеризуется тремя элементами:

1 - работоспособностью двигателя как источника энергии;

2 - работоспособностью барабана;

3 - сопротивлениями обрабатываемого материала.

Механическая энергия, передаваемая двигателем барабану, поглощается ускорением движения последнего, которое в свою очередь поглощается сопротивлением хлебной массы, в связи с чем при равномерной подаче и установившемся режиме вместо возможного ускорения движения барабана происходит его равномерное движение.

Если расходуемая мощность двигателя равна полной мощности, потребной на привод барабана в период холостого хода, т.е. когда нет подачи хлебной массы, разность N – N уйдет на повышение скорости барабана:

- сообщаемое барабану угловое ускорение, рад/с2;

J - момент инерции барабана, кг • м2.

Основное уравнение молотильного барабана, связывающее между собой характеристики двигателя N, барабана Y и хлебной массы m', можно записать, учитывая, что N1 составляет 5 % от N, и принимая во внимание равенство (1.88) и (1.89):

Анализируя основное уравнение молотильного барабана (1.90), можно выявить характерные зависимости по режиму его работы, производительности и затратам энергии на единицу обрабатываемого материала.

Мощность двигателя N, подведенная к барабану, без подачи хлебной массы будет расходоваться на ускорение его движения:

Рисунок 1.43 Изменение углового ускорения барабана в зависимости от его угловой скорости Возможное ускорение барабана будет тем больше, чем больше мощность двигателя и меньше момент инерции и угловая скорость.

При постоянных N и J угловое ускорение барабана (приход ускорения) уменьшается с повышением его угловой скорости (кривая 1 рис. 1.43).

При загрузке барабана хлебной массой уменьшение этого ускорения (расход ускорения) будет определяться зависимостью Точка пересечения гиперболы 1 и прямой 2 определяет значение кр, при которой двигатель работает с полной нагрузкой. В этом случае любое увеличение подачи хлебной массы приведет к снижению угловой скорости барабана и ухудшению качества обмолота.

Поэтому мощность двигателя должна быть такой, чтобы скорость кр была больше ра6, требующейся на обмолот.

Значение кр находится из основного уравнения барабана:

1.3.5 Анализ работы молотильных устройств При своей высокой производительности и низкой энергоемкости молотильные устройства должны обеспечить высокие технологические показатели (недомолот и дробление менее 1 %).

На рисунке 1.44 представлены кривые изменения недомолота 1, дробления 2 и просеивания 3 зерна через деку в зависимости от Vб - величины зазоров и подачи хлебной массы /13/.

Скорость движения хлебной массы в пространстве между барабаном и подбарабаньем меньше, чем скорость бичей и штифтов. Поэтому хлебная масса подвергается многократным ударам и перетирающему воздействию бичей и штифтов, что соответствует вымолачиванию зерна. Интенсивность вымолота зависит от скорости и числа ударов бичей, а также от величины зазоров, поэтому оптимальный режим работы молотильного устройства устанавливают регулировкой частоты вращения барабана и зазора между бичом и планками подбарабанья, а для штифтовых молотильных устройств -регулировкой частоты вращения и бокового зазора между штифтом барабана и подбарабаньем.

Частоту вращения барабана устанавливают в зависимости от убираемой культуры, сорта, степени зрелости, влажности и других факторов, регулируют частоту вращения барабана осторожно, так как при недостаточной частоте возрастает недомолот, а при повышенной - дробление и микроповреждения зерна, а также чрезмерно измельчается солома. Для каждой культуры регулировка частоты вращения барабана дополняет регулировку зазоров, которая является основной для молотильного устройства.

Зазоры устанавливают такой величины, чтобы обеспечить максимальный вымолот и минимальное дробление зерна. При небольшом зазоре интенсивность обмолота меньше, однако увеличивается повреждение зерна и сильнее измельчается солома (рис. 1.44 б), что ухудшает качество работы очистки. При появлении недомолота зазоры постепенно уменьшают, пока не добьются полного вымолота. При этом следят за дроблением зерна.

Если дробление возросло, увеличивают зазоры до появления признаков недомолота. Если таким приемом не удалось уменьшить повреждаемость зерна, снижают частоту вращения барабана, зазоры увеличивают, а частоту вращения барабана снижают при уборке легко обмолачиваемых культур. При этом следят за тем, чтобы не было недомолота. На уборке трудно обмолачиваемых, влажных и засоренных хлебов зазоры уменьшают, а частоту вращения барабана увеличивают до такой степени, чтобы не было повреждения зерно Качество работы молотильного устройства зависит от подачи хлебной массы (рис. 1. в). Увеличение подачи выше оптимальной приводит к резкому возрастанию недомолота и большим потерям свободного зерна, так как при перегрузке на соломотряс поступает больше зерна. Поэтому работать с перегрузкой нельзя.

Постоянную загрузку молотилки, соответствующую оптимальной подаче, обеспечивает автоматический регулятор загрузки молотилки АРЗМ. На участках с высоким и густым хлебостоем (толстым валком) АРЗМ автоматически снижает скорость движения комбайна, а на участках с низкими, изреженными хлебами (тонким валком) - повышает.

1.3.6 Выбор скорости движения комбайна Рабочая скорость комбайна во многом зависит от производительности молотильного устройства /21/.

Производительность молотильного устройства приближенно определяют по формуле где Вж - ширина захвата жатки комбайна, м;, А - урожайность убираемого поля, ц/га;

V - рабочая скорость комбайна, км/ч.

Состояние хлебостоя и особенно его урожайность даже на одном участке может сильно разниться. Это зависит от многих факторов: рельефа поля, влажности, качества посева и др.

Поэтому во время работы комбайна это надо учитывать и своевременно регулировать скорость его движения.

Так, например, если комбайн движется со скоростью 5 км/ч и урожайность в пределах одной загонки меняется от 25 до 35 ц/га, то при ширине захвата жатки Вж = 6 м производительность молотилки меняется существенно:

Диапазон оптимальных нагрузок:

А вероятных Отсюда и вытекает необходимость изменения скорости движения комбайна в соответствии с состоянием убираемой культуры и ее урожайностью.

Выразим из формулы (1.94) скорость, получим:

Подставляя конкретные значения в формулу (1.95), получим график зависимости V = f(A), по которому можно выбрать рабочую скорость комбайна (рис. 1.45).

1.3.7 Уравновешивание молотильного барабана Обязательным условием установки молотильного барабана на комбайн после ремонта является его статическая и динамическая балансировка.

Статическая неуравновешенность определяется тем, что центр тяжести 0 барабана смещен относительно оси вращения АВ на расстояние С (рис. 1.46). При этом во время вращения барабана возникает центробежная сила Р, ухудшающая условия работы подшипников и вызывающая вибрацию комбайна:

где т - масса барабана;

- угловая скорость.

Статистическую неуравновешенность можно установить, если при проворачивании барабана на параллельных призмах или в подшипниках он каждый раз останавливается в одном и том же положении.

Для устранения такой неуравновешенности необходимо закрепить на барабане на расстоянии Со от оси вращения груз массой m0. которую находят из условия В этом случае центр тяжести барабана располагается на оси вращения и достигается статистическая уравновешенность.

Динамическая неуравновешенность барабана получается в случае, когда груз массой то расположен не на линии действия силы Р, а в стороне от нее. При этом возникает пара сил Р и Р0 с плечом :

В результате этого при вращении на барабан действует момент М = Р 0, стремящийся повернуть его в плоскости, проходящей через ось вращения.

Динамическую неуравновешенность устраняют на специальной установке, обеспечивающей запись колебаний опорных подшипников под действием динамических сил и определение положения возмущающей силы относительно барабана. На основании полученных данных подбирают массу и месторасположение балансировочного груза.