Расчёт гидропривода валковой порционной жатки с устройством образования стерневых кулис Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Расчёт гидропривода валковой порционной жатки с устройством образования стерневых кулис

М.М. Константинов, д.т.н., профессор, А.Н. Кондрашов, к.т.н., И.В. Герасименко, к.т.н., И.Н. Глушков, аспирант, С.С. Пашинин, аспирант, Оренбургский ГАУ

Увеличение производства зерна является одной из основных задач механизированного растениеводства. Основные виды уборки зерновых — прямое комбайнирование и раздельная уборка (скашивание хлебной массы в валки с использованием валковых жаток с последующим дозреванием, подбором и обмолотом) [1—4].

Качество уборки зерновых на Южном Урале в большой степени зависит от использования валковых жаток. К неблагоприятным факторам, сказывающимся на возделывании зерновых культур и на состоянии почв Южного Урала, относятся недостаточная увлажнённость и ветровая эрозия. В этой связи целесообразна разработка машины, выполняющей несколько функций одновременно. Борьбу с ветровой эрозией и повышение уровня влаги в почве обеспечивает формирование стерневых кулис, которые препятствуют свободному воздействию ветра на почву и обеспечивают снегозадержание, благодаря которому повышается уровень влаги в почве. Так как стерневые кулисы могут быть образованы при уборке, целесообразно

применять устройство для их образования на валковых жатках [2—5].

Анализ существующих конструкций жаток, функционально пригодных для формирования порционного валка и создания стерневых кулис [5—7], проведённый нами, позволил наметить пути совершенствования режимов работы, а также реализовать этот принцип в разработанной конструкции валковой порционной жатки с устройством образования стерневых кулис (рис. 1).

Главными узлами этой жатки являются мотовило 1, расположенный под ним режущий аппарат 2, устройства для отвода хлебной массы от колёс 3, установленные за режущим аппаратом, транспортёр 4, содержащий барабан 5 и ленту 6. В конце транспортёра расположена заслонка 7 со щётками 8, соединённая с механизмом подъёма 9. По наклонному лотку 10 перемещаются на транспортёр колосья, срезанные при помощи устройства для образования стерневых кулис, состоящего из мотовила с укороченными регулируемыми по высоте лучами 11 и режущего аппарата с изменяемой высотой установки. Помимо перечисленных узлов важную роль играют также механизмы привода и гидравлическая система привода рабочих органов, причём устройства

жидкости в целях охлаждения подача насоса равна расходу жидкости через гидромоторы

Он = одм + Одр + одт = ° (1)

где ОдМ, ОдР, ОдТ — подачи гидромоторов приводов мотовила, режущего аппарата и транспортёра соответственно.

Полезная мощность гидропривода вращательного движения рассчитывается по формуле:

^п.д = Мд ® д, (2)

где Мд — момент на валу гидромотора [9].

Эту же мощность можно выразить через перепад давления в гидродвигателе рд, расход Од и КПД гидродвигателя Лд:

^п.д Одрд Л д,

(3)

Рис. 1 - Валковая порционная жатка с устройством образования стерневых кулис:

1 - основное мотовило; 2 - основной режущий аппарат;

3 - устройства для отвода хлебной массы от колес;

4 - транспортёр; 5 - барабан; 6 - лента транспортёра; 7 - заслонка; 8 - щётки; 9 - механизм подъёма заслонки; 10 - наклонный лоток; 11 - мотовило устройства для образования стерневых кулис; 12 - режущий аппарат устройства для образования стерневых кулис

для отвода хлебной массы от колёс и сплошной транспортёр имеют общий привод.

Гидравлический привод механизмов порционной жатки работает как в длительно установившемся режиме, так и в режиме частых пусков и остановок при постоянной и переменной нагрузке, поэтому он представляет собой сложную динамическую систему, давление в которой определяется внешней нагрузкой по уравнению силовых параметров гидравлических машин [8].

Выбранная схема объёмного гидропривода механизмов порционной жатки с тремя параллельно подключёнными аксиально-поршневыми гидромоторами в режиме выгрузки представляет собой нерегулируемый гидропривод, а в режиме накопления — частично регулируемый, так как в линию питания привода транспортёра вводится элемент дроссельного регулирования скорости гидромотора, позволяющий поддерживать постоянную скорость при накоплении, — трёхлинейный регулятор потока (рис. 2).

Сравним КПД данного гидропривода в режимах накопления и выгрузки.

КПД нерегулируемого гидропривода (в режиме выгрузки) определяется потерями энергии в насосе, гидромоторе и в трубопроводах [9].

При закрытых предохранительных и обратных клапанах, а также при отсутствии циркуляции

где Лд = Л0.д Лм.д.

Полезная мощность насоса выражена через подачу и давление насоса:

^п.н = Онрн, (4)

а потребляемая насосом мощность имеет выражение:

^п МпЩ О пр п /Лн, (5)

КПД гидропривода для вращательного движения составляет [8]:

Пг.п =

_______0дРд_

Мн®н ОнРн

Пн Пд

Так как Оп = Од, то

Лгп

(6)

(7)

' Л<?ЛмЛтр,

где ло и Лм — объёмный и механический КПД гидропривода соответственно, Лтр — гидравлический КПД гидропривода, учитывающий суммарные гидравлические потери давления в трубопроводах.

Движение гидропривода может быть описано уравнениями расхода и нагрузки. Общий расход жидкости, подаваемой насосом, состоит из расхода Ог на работу гидродвигателей, расхода АОо утечек и расхода ДОс, которым компенсируется изменение объёма жидкости вследствие её сжимаемости [10]:

Он = Ог + ДОо + ДОс. (8)

Расход утечек определяется утечками в насосе и гидродвигателях:

ДОо = анРн + ХйдРд. (9)

Расход на сжатие жидкости выражается через давление в напорном трубопроводе:

ДОС рнОн /ЕП,

(10)

где Еп — приведённый модуль упругости сис-

п

темы.

Рис. 2 - Принципиальная схема гидропривода порционной жатки:

1 - бак с рабочей жидкостью; 2 - насос; 3, 8, 9 - предохранительные клапаны; 4 - фильтр; 5 - напорная линия гидропривода; 6 - обратный клапан; 7 - основной делитель потока; 10 - ведомый вал транспортёра; 11 - гидромотор привода режущего аппарата; 12 - хлебостой; 13 - мотовило; 14 - цепная передача привода мотовила; 15 - гидромотор привода мотовила; 16 - ленточный транспортёр; 17 - гидромотор привода транспортёра; 18 - цепная передача привода транспортёра; 19 - ведущий вал транспортёра; 20 - регулятор потока; 21 - переключатель потока; 22 - делитель потока привода транспортёра; 23 - сливная магистраль; 24 - подпорный клапан

Используя уравнение (10), подачу насоса можно представить для случая гидропривода вращательного движения в виде:

<2нт = Чм® н + анРн +Е адРд + Рн. (11)

Еп

Давление в гидросистеме зависит от нагрузки гидромотора Мм и потерь в гидромагистрали Д^.

Ппу рдQд / ря^-

(13)

Величина Лпу оценивает потери мощности на регулирование скорости выходного звена гидропривода.

Полный КПД гидропривода Лпу представляет из себя произведение КПД насоса на КПД процесса управления и на КПД гидродвигателя:

М м

Рн = Рм +АР = —

Чм

+ Др,

(12) П,.п =

руА = рн<2н РдОд ^Уд Хд Хн РнОн Рейд

Пд Пп. У По. (14)

где qм — рабочий объём гидромотора.

При дроссельном регулировании и любом случае включения дросселя полный КПД гидропривода определяется потерями энергии в насосе и гидродвигателе и потерями, обусловленными процессом управления [10]. Ввиду этого целесообразно ввести понятие КПД процесса управления Лп.у, который представляет собой отношение мощности потока Ид=рдОд, затраченной в гидродвигателе, к мощности потока Ипн=РнОн, подаваемого насосом, т.е.:

Допустим, что потери в насосе, гидродвигателе и трубопроводах отсутствуют (цн = Лд = 1) [8—10], тогда выражение полного КПД гидропривода будет иметь вид:

Пг.п = Пц.у. (15)

Для анализа КПД ццу применимы безразмерные величины, т.е. величины, отнесённые к максимально возможным их значениям, а именно относительная нагрузка, равная относительному перепаду давления в гидромоторе [8]:

Рис. 3 - Зависимость КПД процесса управления:

а) от относительной скорости гидромотора; б) от относительной нагрузки

P г =

Pd _ F

PHVd Fm

F = F;

(16)

относительная скорость гидромотора, равная относительному расходу, подводимому к нему:

Vг =■

VV = & = Q .

(17)

относительная площадь проходного отверстия дросселя:

S = -Sl.. (18)

др max

Величиной pг = F определяется доля давления рн насоса, используемая в гидродвигателе, а величиной vd = Qd — доля подачи насоса, направляемой в гидродвигатель.

Из выражения 18 следует, что

n„,v = Рд^д =1^77^ = Fvg = ~pdQd. (19)

vd max Fmax Vd max

Рн Sd V

Скорость Vg max найдём по формуле 17, приняв F — 0 и Sdp — Sdp max:

Vd max = M (Sdp max

/ Sn у 2 pH / p.

Полагая, что коэффициент расхода ц дросселя не зависит от степени его открытия, определим относительную скорость гидродвигателя:

Vг =-

Отсюда:

F = Pd = і-\

s2

(22)

Hа основании выражения 20 получим коэф фициент лп.у в двух вариантах:

Пп.У = &г\11 - Pd ;

Пп.у =Vг (1 -=).

s2

(23)

(24)

По формулам ясно, что максимальный КПД Лп.у получается при 5 =1, т.е. при полном открытии дросселя. Оптимальные значения vд и Рд находят исследованием на максимум.

Зависимости КПД процесса управления цПу от относительной скорости и относительной нагрузки, построенные по формулам (23) и (24) для ряда постоянных значений степени открытия дросселя, показаны на рисунке 3. Следует иметь в виду, что общий КПД гидропривода будет ещё ниже за счёт потерь мощности в насосе и гидродвигателе.

Расчёт гидропривода порционной жатки показал, что оптимальная относительная скорость гидродвигателя составляет 0,58 м/с, следовательно, максимальный КПД регулируемого гидропривода порционной жатки — 0,385.

Вывод. Установлено, что даже при КПД насоса и гидродвигателя, равных единице, КПД регулируемого гидропривода с последовательным включением дросселя не может быть выше 0,385.

Столь низкое значение КПД цп.у объясняется тем, что даже на оптимальном режиме работы гидропривода только 58% подачи насоса направляется в гидродвигатель (остальное идёт через клапан) и лишь 2/3 давления насоса используется в гидродвигателе (остальное теряется в дросселе), т.е. потеря мощности происходит одновременно и в дросселе, и в клапане.

Литература

1. Константинов М.М., Ловчиков А.П., Ловчиков В.П. и др. Проектирование и организация эффективного процесса уборки зерновых культур. Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2011. С. 4-57.

2. Константинов М.М., Нуралин Б.Н., Глушков И.Н. и др. Обоснование параметров транспортёра порционной жатки // Вестник КрасГАУ. 2011. № 12.

3. Константинов М.М., Кондратов А.Н., Глушков И.Н. и др. Методика расчёта и обоснования параметров ленточного транспортёра порционной жатки // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 2 (34). С. 65-69.

4. Константинов М.М., Глушков И.Н., Пашинин С.С. Обеспечение процесса снегозадержания с использованием валковой порционной жатки с устройством образования стерневых кулис // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. N° 6 (38). С. 81-83.

5. Джамбуршин А.Ш. Колосоуборочные машины и механизмы. Алма-Ата: Кайнар, 1977. С. 122-141.

6. Константинов М.М., Горячев С.В., Моргунов А.Г. Патент N2138150. А0Ш34/00. Валковая жатка. Бюл. N 27. М., 1998.

7. Константинов М.М., Бугров А.Н., Павленко В.А., Морозов Е.Ю. Патент № 2212780. А0Ш69/00, 34/00. Валковая жатка. Бюл. N 27. М., 2003.

8. Коваль П.В. Гидравлика и гидропривод машин. М.: Машиностроение, 1979. С. 70-79.

9. Башта Н.Е. Гидравлика. Гидропривод. М.: Машиностроение, 1982. С. 154-172, 197-212.

10. Экснер Х., Фрейтаг Р., Д-р Гайс Х. и др. Гидропривод. Основы и компоненты: учебный курс по гидравлике. Т. 1. Изд. 2-е (на рус. яз.) Германия Эрбах: «Бош Рексрот АГ. Сервис. Автоматизация. Дидактика», 2003. С. 88-117, 202-214.