CC BY
17
УДК 631.354.2
Анализ конфигурации валка хлебной массы в зоне подбора в зависимости от кинематического режима работы подборщика
О. Н. Лесняк, С. М. Красноступ
(Донской государственный технический университет),
A. Д. Азаров
(Научно-исследовательский институт механики и прикладной математики им. И. И. Воровича Южного федерального университета)
Описана модель валка в виде цепной линии. Проведён анализ зависимости конфигурации валка от технологического процесса работы полотняно-транспортёрного подборщика. Ключевые слова: валок, цепная линия, полотняно-транспортёрный подборщик.
Введение. В настоящее время проведение мероприятий по сокращению потерь выращенного урожая является одной из наиболее актуальных задач, решению которой посвящены многие исследовательские работы [1—10], однако, как показывает практика, потери урожая всё ещё достаточно велики и в большинстве случаев значительно превышают нормативные.
По экспертной оценке потери зерна в среднем в России составляют порядка 17 % от выращенного урожая, а в отдельных регионах при неблагоприятных погодных условиях теряется до трети выращенного урожая. Значительная часть потерь отмечается именно на этапе уборочных работ [11].
На сегодняшний день уборка зерновых производится, как правило, с применением зерноуборочных комбайнов. В этом случае (при уборке зерновых раздельным способом) потеря зерна происходит, в частности, в процессе работы подборщика. Как показала практика, потери зерна за подборщиком при нормативных 0,5 % могут достигать 5 % и более от выращенного урожая [1].
Это обстоятельство вынуждает исследователей и производителей зерноуборочной техники неоднократно возвращаться к решению задач по сокращению потерь в процессе уборки зерновых культур. Одной из таких задач является снижение потерь зерна за подборщиком. Для решения этой задачи необходима полная картина процессов, протекающих при взаимодействии пальцев подборщика с валком во всех зонах его подбора. Однако анализ научно-технической и патентной литературы показал, что на сегодняшний день количество аналитических работ и патентных предложений, посвящённых подборщикам зерновых культур, невелико.
В наиболее известных работах Е. С. Босого [4], Н. И. Клёнина [5] и других авторов [6—8] при изучении технологического процесса подбора валка, лежащего на стерне, основное внимание уделяется зависимости чистоты подбора от кинематического режима работы подборщика, который характеризуется соотношением скоростей конца пальцев подборщика и комбайна в поступательном его движении (показателем кинематического режима Л). Возникновение потерь зерна при подборе связывается с нарушением показателя Л. В результате исследований с целью оптимизации технологического процесса подбора валка и исключения потерь зерна при подборе авторы предлагают рекомендации по выбору оптимального показателя Л. Однако необходимо подчеркнуть, что на практике рекомендуемый режим работы актуален в начальный момент работы подборщика, когда валок лежит на стерне. В дальнейшем валок поднимается пальцами подборщика и в силу своей связанности лентой поступает на верхнюю часть подборщика.
Значительный вклад в развитие теории подборщиков при уборке колосовых внесла
B. Н. Гячева [9]. Наряду с анализом причин возникновения потерь зерна вследствие несоблюде-
ния кинематического режима работы подборщика и вибрационных воздействий на валок со стороны подбирающего устройства и самого подборщика она рассмотрела взаимосвязь между движением валка по подборщику и качеством подбора. В. Н. Гячева одной из первых представила модель валка в виде упругой балки, поднимаемой катком, и получила интегро-дифференциальное уравнение упругой линии валка, позволяющее, по мнению автора, оптимизировать процесс подбора валка и определять оптимальные параметры подборщиков.
Для изучения потерь зерна вследствие колебаний подборщика совместно с валком в вертикальной плоскости В. И. Колесниковым, А. А. Ляхом и Н. Г. Поповым [10] предложена ещё одна модель валка. Авторы представили его состоящим из набора отдельных масс и упругих связей между ними и получили дискретную динамическую модель поперечных колебаний валка.
Анализируя указанные выше аналитические работы [4—10], следует отметить, что все они предназначены для решения локальных задач: изучения кинематики подбора, движения валка по подборщику и анализа потерь зерна вследствие вертикальных колебаний валка совместно с подборщиком. Они не позволяют, в силу отсутствия целостного подхода к изучению технологического процесса подбора валка и причин возникновения потерь зерна при подборе, всесторонне изучить процесс подбора валка во всех зонах взаимодействия пальцев подборщика с валком (как и непосредственно в самой зоне подбора валка).
Следует отметить также, что аналитические исследования [4—10] выполнены достаточно давно и относятся, как правило, к подборщикам барабанного типа. Приводимые в литературе рекомендации для полотняно-транспортёрного подборщика могут быть использованы лишь выборочно. Таким образом, на сегодняшний день полотняно-транспортёрный подборщик, оставаясь наиболее востребованным, недостаточно изучен.
Несмотря на безусловную теоретическую ценность аналитических работ, в настоящее время не удалось снизить потери зерна за подборщиком до нормативных значений, а значит, задача по сокращению потерь зерна за подборщиком сохраняет свою актуальность.
Для решения указанной задачи необходимо комплексно рассмотреть причины возникновения потерь зерна за подборщиком, которые возникают во всех зонах подбора при взаимодействии пальцев подборщика с валком.
С этой целью надо располагать, прежде всего, универсальной моделью конфигурации валка, которая позволит изучить технологический процесс работы подборщика в зоне подбора, подъёма и транспортировки валка.
Определение конфигурации валка в зоне подбора его подборщиком. Учитывая особенности структуры уложенного жаткой валка, например его гибкость в продольном направлении и стохастическое расположение колосьев, а также требования к подбору валка, считаем, что оптимальной моделью, описывающей конфигурацию валка в процессе подбора, является цепная линия, верхняя часть которой расположена на подборщике и свободно спадает с него, а нижняя — на стерне (далее — на почве).
Для приближения модели к конфигурации реального валка в процессе подбора ограничим провисание цепной линии следующим образом.
В реальных условиях валок не является одномерной конструкцией, как цепная линия, а имеет определённую толщину. При этом часть валка, лежащая на транспортёре, и горизонтальная часть валка (лежащая на почве) соединяются криволинейным слоем.
Важной характеристикой формы валка является радиус кривизны (определяющий провисание валка). Как показывают исследования, в каждой точке цепной линии имеется определённое значение радиуса кривизны, причём значения в точке сопряжения с валом и в точке соединения валка с почвой будут различны. На качество подбора валка большое влияние оказывает величина радиуса кривизны в точке соприкосновения валка с почвой — чем меньше радиус кривизны, тем
более круто изменяется форма кривой в окрестности этой точки. В случае большого радиуса кривизны валок будет сильно вытянут (что предполагает большое натяжение) и, наоборот, при малом радиусе кривизны провисающая часть валка будет короче по горизонтали (происходит его складывание).
Форма валка (а значит, и радиус кривизны) зависит от кинематического режима работы подборщика. В процессе подбора недопустимо, чтобы валок сгруживался (складывался в зоне подбора) перед подборщиком. Поэтому, в соответствии с принятыми нами допущениями о свойствах валка в зоне подбора, для описания ограничения складывания валка будем считать (по аналогии с теорией изгиба балок), что плоские сечения валка, нормальные к срединной плоскости, не могут при деформировании проходить друг сквозь друга. Указанное условие выполняется только в том случае, если радиус кривизны валка равен или больше толщины валка. В нашем случае для расчёта формы валка, соответствующей оптимальному технологическому процессу подбора валка (то есть без складывания и чрезмерного растягивания валка), наименьший радиус кривизны (который наблюдается в точке Z, рис. 1) принят равным толщине валка. Если радиус кривизны валка будет больше толщины валка, возникают большие усилия растяжения валка, что приводит к его разрыву (потере целостности).
Рис. 1. Схема взаимодействия валка с подборщиком
Применительно к полотняно-транспортёрному подборщику модель валка будет выглядеть следующим образом.
Представим валок схематично — линией, состоящей из трёх характерных частей (рис. 1). Первая часть (I) — это валок, находящийся на верхней ветви транспортёра до точки D, в которой он отходит от транспортёра. Вторая часть (II) начинается в точке D и заканчивается в точке контакта валка с почвой Z. Эта часть висит в воздухе. В третьей части (III), начиная с точки Z, валок располагается на почве.
По технологическим требованиям для качественного подбора валка необходимо, чтобы он непрерывной лентой поступал на транспортёр подборщика [1]. Естественно полагать, что все три части валка, обозначенные выше, образуют единую, непрерывную, гладкую кривую. Основной задачей является определение формы валка на участке II, то есть формы кривой DZ, включая положения точек Dи Z Именно здесь происходит контакт пальцев подборщика с валком.
В точке D валок направлен по касательной к транспортёрной ленте (к валу) и далее, свисая вниз, изгибается, а в точке Zплавно переходит на горизонтальную линию почвы. Такую форму можно описать уравнением цепной линии [12]:
y м=a
(x + cj -(x + cj
exp --— + exp —-—
- с
(1)
H
где а =—, Н — горизонтальная составляющая натяжения нити, р — вес одного погонного метра р
нити; с1 и с2 — постоянные параметры интегрирования при выводе уравнения, определяющие положение нити в системе координат XОY. Для рассматриваемого нами валка на участке II введём обозначения Ь = -с1, d = с2.
Выберем систему координат так, что точка D имеет координату х = 0. Параметры а, Ь, d выбираются из граничных условий, с обеспечением гладкости единой формы валка, то есть в крайних точках D и Z выполняются условия: /(0) = с, у= 0 ,
У '(0) = ^1, У = 0.
Здесь с — высота точки «крепления» валка, то есть ордината точки D (с = OD— расстояние от почвы до точки D).
Угол Yl = п - ^ = п/2 + Y, определяющий направление касательной в точке D, связан с углом Y, определяющим положение точки D на валу (рис. 1), и с параметром с. Касательная к валу подборщика в точке D является также касательной к свисающему валку в этой же точке. Уравнение (1) можно записать в виде
У (х) = т
(x - b) -(x - b)
exp --- + exp —---
x-b
- d = a • ch--d,
Из граничных условий в точке z следует, что b = z, d = a, и далее:
с=( ch (_£)-1 , sh (a)= u »„
z = a • Arch (1 + с].
Из этих соотношений приходим к уравнению для параметра с
Г г г с^]
c = yA + /sin и уравнение валка приобретает вид
Arcctg
sh I Arch 11 + —
//
y (x) = alch -1|.
Радиус кривизны (провисания) валка в данном случае р(х) = ach:
x - b
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
^ Ьвалка. Анализ
показывает, что минимальное значение р (х) достигается в точке х = z. При определении параметров валка используем минимальное значение в неравенстве р (х) > Ьвалка, то есть р = = Ьвалка, откуда следует, что а = Ьвалка.
a
a
Таким образом, параметр a определён толщиной валка. Решая нелинейное уравнение (5) находим высоту с (положение точки D), а из (4) вычисляется параметр z
После определения всех характеристик формы валка по параметру а можно определить величину горизонтальной составляющей натяжения цепной линии (валка) Н, и далее рассчитать силу натяжения N, а также удельную нагрузку на единицу площади поперечного сечения валка. Ввиду малой прочности валка (при растяжении) большие значения этих напряжений недопустимы из-за разрушения валка при его натяжении — в этом случае реальный валок будет сильнее провисать (изгиб будет более крутым), чем это определено данным расчётом, и, таким образом, валок будет ещё ближе к пальцам подборщика.
В результате проведённых расчётов при исходных данных (соотвествующих реальным характеристикам валка и подборщика), указанных в табл. 1, получены параметры уравнения (6) и характеристики цепной линии моделирующей валок (см. табл. 2).
Таблица 1
Исходные данные, принятые для моделирования конфигурации валка
Название параметра Обозначение Значение Размерность
Удельная нагрузка (вес валка) р 100 Н/м
Радиус вала подборщика г 0,05 м
Высота точки А (координата центра вала) YА 0,16 м
Толщина валка Свалка 0,17 м
Результаты расчёта Таблица 2
Название параметра Обозначение Значение Размерность
Основные параметры формы валка
Параметр натяжения а 0,170 м
Высота точки О с 0,184 м
Расстояние от начала координат до точки отрыва валка от почвы (длина зоны провисания) z 0,232 м
Расчётные характеристики
Горизонтальная составляющая натяжения Н 16,7 Н
Натяжение по касательной N 35,2 Н
Угол гамма для касательной У 28,3 градус
Угол между касательной к валу в точке О и горизонталью У1 118,3 градус
Общий вид конфигурации валка, полученной в соответствии с уравнением (6), представлен на рис. 2.
Полученная модель валка в виде цепной линии сформирована на основе физически естественных допущений и учитывает основные физико-механические и технологические свойства валка, проявляющиеся в процессе подбора валка и обусловливающие его конфигурацию через два основных параметра: удельный вес (плотность) р и толщину 5валка. Свойства вида скашиваемой пшеницы, плотности укладки и влажности валка могут учитываться через обозначенные два параметра (реальные характеристики валка). Чем больше плотность и/или влажность валка, тем более крутым будет участок DZ. Таким же образом моделью могут быть учтены и изменения в конфигурации валка по плотности различных сельхозкультур.
Модель цепной линии, определяющая конфигурацию валка, может быть скорректирована на основании экспериментальных данных по форме и механическим свойствам валка.
В частности, следует отметить, что данная конфигурация соотвествует оценке крайней нижней образующей валка при подборе.
-0,05 0 0,05 0,1 0,15
Рис. 2. Форма цепной линии, моделирующей валок
Предлагаемый подход позволяет учитывать также и изменение конфигурации валка в зависимости от кинематического режима работы подборщика. Так, например, при малых значениях коэффициента кинематического режима работы подборщика Л (большой скорости комбайна) происходит сгруживание валка перед подборщиком. В данной модели валок будет сжиматься по горизонтали. Это отражается уменьшением угла Y1 и параметра z, пропорционально скорости. При больших значениях Л происходит условное натяжение валка.
В процессе подбора валка движение любой его точки, например точки D можно разложить на поступательное совместно с комбайном и относительное совместно с валом (транспортёром) подборщика.
- -07250— _ по ДБОРЩИК
| 1 ъ
\ 1 ' У 1 V
\
V 2
-0,13 -0,03 -0,03 о 0,02 0,07 / 0,12 0,17 0.22 % 0.27 0.32 Рис. 3. Изменения в конфигурации валка в зависимости от кинематического режима работы подборщика: 1 — конфигурация валка, полученная в соответствии с моделью, при соблюдении условия р ф = ЬВАЛКА (Л = 4,3); 2 — конфигурация валка при значениях Л > 4,3, когда происходит разрыв валка; 3 — конфигурация валка, соответствующаяя
Л = 3, при которой р й < ЬВАЛКА, то есть валок сгруживается
Поступательная скорость точки D характеризуется вектором VК, а относительная — вектором VТР, причём этот вектор скорости направлен по касательной в точке D к валу
подборщика. Итоговая (суммарная) скорость V точки О будет определяться как геометрическая сумма указанных скоростей VК и V■7p, причём, чем больше скорость V, тем меньше будет расстояние ОZ = z, и наоборот [13].
Это позволяет использовать поправочный коэффициент к, на который следует умножать параметр z, чтобы получить конфигурацию валка (рис. 3) в данном конкретном случае к= 1 -- Vх / V.
Как видно из рис. 3 (и анализа, представленного в работе [13]), для улучшения технологического процесса подбора валка коэффициент кинематического режима работы подборщика должен быть в пределах 3 < Л < 4,3.
Заключение. Представленная модель валка в виде цепной линии позволяет:
— комплексно изучить технологический процесс подбора валка подборщиком;
— изучить процессы, происходящие при подборе валка в целом и в зоне подбора при взаимодействии пальцев полотняно-транспортёрного подборщика с нижней частью валка. Библиографический список
1. Комарова, М. К. Борьба с потерями зерновых колосовых / М. К. Комарова, В. И. Недове-сов. — Москва: Россельхозиздат, 1975. — 160 с.
2. Фёдоров, В. Ф. Контроль качества работы зерноуборочного комбайна / В. Ф. Фёдоров, М. В. Богиня // Проблемы современной аграрной науки: мат-лы междунар. заоч. науч. конф., 15 окт. 2009 г. — Красноярск, 2010. — С. 24—29.
3. Каскулов, М. Х. Проблемы уменьшения потерь зерна при уборке зерновых культур / М. Х. Каскулов, Ю. А. Шекихачев, М. Н. Малухов // Вопросы сельскохозяйственного производства. — Москва, 1988. — С. 92—94.
4. Теория, конструкция и расчёт сельскохозяйственных машин: учебник для вузов / Е. С. Босой [и др.]. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Машиностроение, 1977. — 568 с.
5. Клёнин, Н. И. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины / Н. И. Клёнин, В. А. Са-кун. — Москва: Колос, 1994. — 751 с. — (Учебники и учеб. пособия для высш. учеб. заведений).
6. Зерноуборочные комбайны / Г. Ф. Серый [и др.]. — Москва: Агропромиздат, 1986. — 248 с.
7. Долгов, И. А. Уборочные сельскохозяйственные машины. Конструкция, теория, расчёт: учебник / И. А. Долгов. — Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2003. — 707 с.
8. Гячева, В. Н. О механико-технологических основах теории подборщиков / В. Н. Гяче-ва // Вопросы механизации и электрификации сельскохозяйственного производства. — 1972. — Вып. 15. — С. 21—24.
9. Гячева, В. Н. О движении валка как упруго-деформируемой балки / В. Н. Гячева // Вопросы механики деформируемых тел. — 1972. — С. 76—79.
10. Колесников, В. И. Моделирование технологического процесса подбора валка зерновых культур / В. И. Колесников, А. А. Лях, Н. Г. Попов // Динамика узлов и агрегатов сельскохозяйственных машин. — Ростов-на-Дону, 1980. — С. 116—120.
11. Лесняк, О. Н. Анализ причин возникновения потерь урожая зерновых культур / О. Н. Лесняк // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: мат-лы междунар. науч.-практ. конф., 2—3 марта 2011 г. — Ростов-на-Дону, 2011. — 430 с.
12. Рекач, В. Г. Руководство к решению задач прикладной теории упругости / В. Г. Ре-кач. — Москва: Высшая школа, 1973. — 302 с.
13. Красноступ, С. М. Обоснование кинематического режима работы подборщика / С. М. Красноступ, О. Н. Лесняк, А. Д. Азаров // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: мат-лы междунар. науч.-практ. конф., 2—3 марта 2011 г. — Ростов-на-Дону, 2011. — 430 с.
Материал поступил в редакцию 2.02.2012. References
1. Komarova, M. K. Bor"ba s poteryami zernovy"x kolosovy"x / M. K. Komarova, V. I. Nedovesov. — Moskva: Rossel"xozizdat, 1975. — 160 s. — In Russian.
2. Fyodorov, V. F. Kontrol" kachestva raboty" zernouborochnogo kombajna / V. F. Fyodorov, M. V. Boginya // Problemy" sovremennoj agrarnoj nauki: mat-ly" mezhdunar. zaoch. nauch. konf., 15 okt. 2009 g. — Krasnoyarsk, 2010. — S. 24—29. — In Russian.
3. Kaskulov, M. X. Problemy" umen"sheniya poter" zerna pri uborke zernovy"x kul"tur / M. X. Kaskulov, Yu. A. Shekixachev, M. N. Maluxov // Voprosy" sel"skoxozyajstvennogo proizvodstva. — Moskva, 1988. — S. 92—94. — In Russian.
4. Teoriya, konstrukciya i raschyot sel"skoxozyajstvenny"x mashin: uchebnik dlya vuzov / E. S. Bosoj [i dr.]. — 2-e izd., pererab. i dop. — Moskva: Mashinostroenie, 1977. — 568 s. — In Russian.
5. Klyonin, N. I. Sel"skoxozyajstvenny"e i meliorativny"e mashiny" / N. I. Klyonin, V. A. Sakun. — Moskva: Kolos, 1994. — 751 s. — (Uchebniki i ucheb. posobiya dlya vy"ssh. ucheb. zavedenij). — In Russian.
6. Zernouborochny"e kombajny" / G. F. Sery"j [i dr.]. — Moskva: Agropromizdat, 1986. — 248 s. — In Russian.
7. Dolgov, I. A. Uborochny"e sel"skoxozyajstvenny"e mashiny". Konstrukciya, teoriya, raschyot: uchebnik / I. A. Dolgov. — Rostov-na-Donu: Izd. centr DGTU, 2003. — 707 s. — In Russian.
8. Gyacheva, V. N. O mexaniko-texnologicheskix osnovax teorii podborshhikov / V. N. Gyacheva // Voprosy" mexanizacii i e" lektrifikacii sel"skoxozyajstvennogo proizvodstva. — 1972. — Vy" p. 15. — S. 21—24. — In Russian.
9. Gyacheva, V. N. O dvizhenii valka kak uprugo-deformiruemoj balki / V. N. Gyacheva // Voprosy" mexaniki deformiruemy"x tel. — 1972. — S. 76—79. — In Russian.
10. Kolesnikov, V. I. Modelirovanie texnologicheskogo processa podbora valka zernovy"x kul"tur / V. I. Kolesnikov, A. A. Lyax, N. G. Popov // Dinamika uzlov i agregatov sel"skoxozyajstvenny"x mashin. — Rostov-na-Donu, 1980. — S. 116—120. — In Russian.
11. Lesnyak, O. N. Analiz prichin vozniknoveniya poter" urozhaya zernovy"x kul"tur / O. N. Lesnyak // Sostoyanie i perspektivy" razvitiya sel"skoxozyajstvennogo mashinostroeniya: mat-ly" mezhdunar. nauch.-prakt. konf., 2—3 marta 2011 g. — Rostov-na-Donu, 2011. — 430 s. — In Russian.
12. Rekach, V. G. Rukovodstvo k resheniyu zadach prikladnoj teorii uprugosti / V. G. Rekach. — Moskva: Vy"sshaya shkola, 1973. — 302 s. — In Russian.
13. Krasnostup, S. M. Obosnovanie kinematicheskogo rezhima raboty" podborshhika / S. M. Krasnostup, O. N. Lesnyak, A. D. Azarov // Sostoyanie i perspektivy" razvitiya sel"skoxozyajstvennogo mashinostroeniya: mat-ly" mezhdunar. nauch.-prakt. konf., 2—3 marta 2011 g. — Rostov-na-Donu, 2011. — 430 s. — In Russian.
ANALYSIS OF SWATH CONFIGURATION IN PICKING-UP ZONE DEPENDING ON PICKER KINEMATIC PERFORMANCE
O. N. Lesnyak, S. M. Krasnostup
(Don State Technical University), A. D. Azarov
(Research Institute of Mechanics and Applied Mathematics, Southern Federal University)
The swath model in the form of the catenary curve is described. The dependence of the swath configuration on the technological process of the belt conveyer picker is analyzed. Keywords: swath, catenary curve, belt conveyer picker.
