АНАЛИЗ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПИТАТЕЛЯ ШНЕКА БУНКЕРА ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

64

,,„ „„„„, Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

УДК 631.362.5:631.354.2.021

Ридный С. Д., Шматко Г. Г., Овсянников С. А., Герасимов Е. В.

Ridnyi S. D., Shmatko G. G., Ovsyannikov S. A., Gerasimov E. V.

АНАЛИЗ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ

И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПИТАТЕЛЯ ШНЕКА БУНКЕРА ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА

ANALYSIS OF POWER FACTORS AND RATIONALE FOR THE DESIGN OF THE SCREW FEEDER HOPPER HARVESTER

В работе предлагается конструкция и принцип работы устройства для улучшения выгрузки малосыпучего вороха из бункера комбайна.

Ключевые слова: бункер комбайна, малосыпучий ворох, вибропобудитель.

This paper proposes a design and principle of operation of the device to improve the discharge malosypuchego heap of the combine hopper.

The device for the improvement of non-free-flowing chaffer unloading from a tank, its design and operating principle are considered in the article.

Keywords: tank, non-free-flowing chaffer, feeder.

Ридный Сергей Дмитриевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры

процессы и машины в агробизнесе

Ставропольского государственного

аграрного университета,

г. Ставрополь

Тел: (8652) 31-59-00

Е-таИ; Ridnyy@ya.ru

Шматко Геннадий Геннадьевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры

процессы и машины в агробизнесе

Ставропольского государственного

аграрного университета,

г. Ставрополь

Тел: (8652) 31-59-00

Е-т^1: gshmatko@ya.ru

Овсянников Сергей Анатольевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры

процессы и машины в агробизнесе

Ставропольского государственного

аграрного университета,

г. Ставрополь

Тел: (8652) 31-59-00

Е-таМ: SA9054195597@ya.ru

Герасимов Евгений Васильевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры процессы и машины в агробизнесе Ставропольского государственного аграрного университета, г. Ставрополь Тел: (8652) 31-59-00

Ridnyi Sergey Dmitrievich -

PhD, Associate Professor of

processes and machines in agribusiness

Stavropol State

Agricultural University,

Stavropol

Tel: (8652) 31-59-00 E-mail: Ridnyy@ya.ru

Shmatko Gennady Gennadievich -

PhD, Associate Professor of

processes and machines in agribusiness

Stavropol State

Agricultural University,

Stavropol

Tel: (8652) 31-59-00 E-mail: gshmatko@ya.ru

Ovsyannikov Sergey Anatolevich -

PhD, Associate Professor of

processes and machines in agribusiness

Stavropol State

Agricultural University,

Stavropol

Tel: (8652) 31-59-00 E-mail: SA9054195597@ya.ru

Gerasimov Evgeniy Vasilevich -

PhD, Associate Professor of

processes and machines in agribusiness

Stavropol State

Agricultural University,

Stavropol

Tel: (8652) 31-59-00

Основная причина простоев комбайнов при уборке мелкосеменных культур[1,4,6], например таких как люцерны, является сложность выгрузки из бункера. Это связано в первую очередь с образование устойчивых сводчатых структур, препятствующих выгрузке. Причем с увеличением влажности и разнофракцион-ности состава вороха, образование сводов резко увеличивается.

Стандартныесводоразрушающие устройства, устанавливаемые в бункерах комбайнов «Дон» и «Acros», не справляются с поставленной задачей[8,9]. Это связано в первую очередь с тем, что стандартный вибропобудитель предназначен для выгрузки зерновой массы, но при переходе на сильносвязный, влажный ворох, он технологически и конструктивно не приспособлен.

Для рассмотрения силовых факторов и затрат мощности рассмотрим работу предлагае-

в

естник АПК

Ставрополья

: № 1(17), 2015

Агроинженерия

65

мого устройства[3,10], которого приведена на рис. 1.

N = mg • cos Р,

(5)

где

масса решетки питателя, кг; ускорение свободного падения (д = 9.81 м/с); угол наклона днища бункера к горизонтали, град.

Рисунок 1 - Общий вид устройства скребкового типа питателя к бункеру комбайна: 1 - рамка; 2 - планки питателя; 3 - оси планок; в - угол наклона питателя к горизонтальной плоскости; Л - высота планок;

Ь - длина планок; I- расстояние между планками

Основным силовым расчетным фактором влияющим на силу сопротивления движению устройства будет сила среза Гор, возникающая между верхней поверхностью решетки и массой срезаемого вороха[2,5]:

' Tcp . A,

(1)

Рисунок 2 - Схема действия сил сопротивления поступательному движению питателя: 1 - решетка питателя; 2 - невеяный ворох люцерны; 3 - днище бункера

Масса решетки питателя составит:

т = Ь ■ к ■ 3 • п ■ р + 25 • р(Ь' +1")

где тор- напряжение среза для массы вороха, Н/м2;

А - площадь среза, м2.

За площадь среза А можно принять площадь скребкового питателя:

А = I ■ п ■ Ь, (2)

где п - количество планок;

Ь - длина пластин, м;

I - расстояние между пластинами, м.

Ввиду того, что значение величины напряжения среза массы вороха вор, в данном случае на представляется возможным определить, в целом, величину Гор можно оценить через силы трения решетки питателя (^) и трения сыпучего вороха () сумма этих величин (^и ) будет характеризовать величину сил сопротивления движения питателя:

F

= F Р

F

вор

(3)

сопр тр тр

Силовым фактором [7], влияющим на сопротивления поступательному движению устройства является сила трения решетки о днище бункера комбайна (^ (рис. 2).

Она подсчитывается по формуле:

FP = тр

= f • N

тр

(4)

где

frP -

коэффициент трения стали о невеяный ворох;

N - нормальная сила действующая со стороны решетки на днище бункера, Н.

Тогда в равновесии сумма проекций сил на ось х будет:

или m = p[h ■ b ■ S ■ n + 2SJL' + L"J] (g)

где 5 - толщина планки толкателя питателя, м; L' - длина поперечины рамки решетки, м; L" - длина боковой рамки решетки, м; р - плотность стали, из которой изготовлены

детали решетки, кг/м3; S„ - площадь поперечного сечения решетки питателя, м2;

n - количество планок решетки питателя.

Окончательно, сила трения питателя о дно бункера(определиться как:

F= fmp • g • P(h • b • S ■ n + 2Sn(L + L"))- cos ft. (7)

Сопротивляться поступательному движению будет и сила трения сыпучего груза (вороха) о днище бункера, которое приближенно оценена по формуле:

Fвор _ fв°Р F тр ~ J j

m

тр вор

■ g ■ cos f} .

(8)

где Гт

коэффициент трения вороха о стальную поверхность днища бункера; суммарный вес вороха во всех ячейках решетки плюс вес вороха передвигаемого передней частью питателя, кг.

Величина m определяется по формуле:

m = Vв°Р • рв°Р , вор плот

где Vв0Р - объем вороха, перемещаемый питате

3

(9)

лем, м ,

вор - плотность вороха, кг/м3.

плот

cp

т

66

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

В

естник АПК

Ставрополья

Объем вороха увор перемещаемым питателем слагается из объем вороха во всех ячей-

г

ках питателя (V) и объем вороха, перемеща-

гг

емый передней частью питателя (V"°р ).

V = вор

(10)

На основании схемы, представленной на рисунке 3, перемещение вороха происходит передней стенкой и задней поперечной планкой питателя.

F = р ■ g ■ f (h■ b• S• n + 2S (L' + L"))cosR + conp mp n

+ h • b • L ■ g ■ w(n + 1 )■ f в0Р • p60P • cos В mp плот

(13)

N = F ■ v , мощ conp cp'

(14)

Fсопр - суммарная сила сопротивления движению, Н;

иср - средняя скорость поступательного движения питателя иср = L/t, м/с.

Если считать среднюю скорость поступательного и возвратного движения одинаковой, то частота f возвратно-поступательных движений будет равна f = 1/2Г, откуда время поступательного движения ? = 1/2/.

Тогда средняя скорость поступательного движения:

и = 2 f ■ L

cp J

(15)

Мощность, затрачиваемая на поступательное движение планки толкателя:

N = F ■ 2 f ■ L. conp

(16)

Рисунок 3 - Схема размещения вороха перед передней планкой решетки питателя:

1 - планка решетки передняя; 2 - ворох перемещаемый передней планкой решетки;

3 - днище бункера; ф - угол естественного откоса вороха; L - длина поступательного перемещения решетки (амплитуда)

Приняв форму вороха в сечении приблизительно, как прямоугольный треугольник с коэффициентом заполнения у = 0,7...0,8, определим объемы вороха по формулам:

" 1

VвoP' = Ь • п ■ Н ■ Ь ■ щ и VвoP = 1 ■ Ь ■ И ■ Ь-у. (11)

Тогда, согласно 10 имеем, что:

VвоР = Ь ■ Н ■ ь ■ п ■ у +1Н ■ ь ■ Ь ■ щ = Н ■ 2Ь ■ ь ■ щ(п +1). (12)

Таким образом, согласно 3, суммарная сила сопротивления движению питателя определиться по формуле:

Если в оценке мощности привода пренебречь потерями энергии в механизме привода, то можно сделать оценку затрат мощности Ммощ, необходимой на поступательное движение скребкового питателя:

где Nмощ - затраты мощности, необходимые на пост. движение, Вт;

С учетом ранее полученных выражений для силы сопротивления:

N мт = 2 f • L[p-g • /яр (h ■ b-S-n + 2S„ (L' + L"))

i (17)

cos p + h • b • L .W(n +1) • f£ • pZm ■ cos p ].

Данная формула позволяет провести анализ силовых факторов, определяющих характер работы устройства, и получены зависимости для расчета мощности его привода.

На основании расчетов нами предлагается устройство для выгрузки малосыпучего, сильносвязного вороха (рис. 4). Оно будет состоять из нескольких продольных пластин 1, которые будут устанавливаться на толкатель 2 при помощи втулок 3. Первая пластина, которая находиться непосредственно перед шнеком будет закреплена жестко на направляющих. Последующие пластины будут соединятся при помощи пружин 4 и свободно отклоняться вперед назад при помощи втулок на направляющих. Сами же толкатели будут получать импульс от стандартных пульсаторов 5 установленных в комбайнах «Дон» и «Acros".

Устройство будет работать следующим образом. При образовании свода в бункере комбайнер запускает устройство. При работе устройства первая планка, которая будет находиться непосредственно перед шнеком, начнет движение вперед назад и выгрузку прилежащего вокруг ее действия вороха. При этом остальные планки будут без движения в связи с тем, что ворох вокруг планок будет препятствовать их движению. Это сделано для того, чтобы соседние планки не утрамбовывали близлежащий сильносвязный материал при работе. Как только первая планка выгружает близлежащий ворох, у второй планки появляется возможность движения и увлекаемая пружиной она тоже начнет совершать колебательные движения вперед-назад. И так постепенно это будет продолжаться до тех пор, пока все пластины не включаться в работу. Как только все пластины начнут совершать поступательные движения вперед назад, весь прилегающий ворох начнет проталкиваться к выгрузному отвер-

в

ес™ро5£Н£ Агроинженерия -№ 1(17), 2015

67

Рисунок 4 - Устройство для выгрузки малосыпучего вороха

стию, тем самым обвалия постепенно образующие своды в бункере комбайна.

Данное устройство в связи с особенности конструкции позволит выгружать любой сильносвязный материал, не уплотняя и не утрамбовывая его. Данное устройство будет обладать универсальностью, так как длявыгрузке любого материала с различными физико-механическими свойствами достаточно будет подобрать силу сжатия пружины и питатель будет работать в оптимальном режиме.

По сравнению с другими техническими решениями устройство имеет преимущества:

- уменьшение времени выгрузки во время уборки;

- простота и надежность устройства;

- малые материальные затраты;

- не требует предварительной настройки перед работой.

- универсальность.

Внедрение данного устройства позволит сократить время простоев комбайнов во время уборки, уменьшить травматизм на производстве, в связи с уменьшением применения подручных средств при выгрузке.

Литература:

1. Герасимов Е.В. Устройство для выгрузки из бункера малосыпучего вороха/Герасимов Е.В., Овсянников С.А., Шматко Г. Г.// Сборник научных трудов Sworld. 2013. Т. 6. № 1. С. 61-64.

2. Шматко Г.Г. Обоснование геометрических размеров побудителя истечения/Шмат -ко Г.Г, Ридный С.Д.//Известия Горского государственного аграрного университета. 2010. Т. 47. №2. С. 138-139.

3. Шматко Г.Г. Устройство для выгрузки из бункера малосыпучего вороха/Шматко Г.Г., Ридный С.Д. -Патент на изобретение РШ 2370941. 28.07.2008.

4. Шматко Г.Г. Устройства для улучшения выгрузки из бункера комбайна малосыпучего вороха. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 1. С. 5-6.

5. Шматко Г.Г., Ридный С.Д. Обоснование геометрических размеров побудителя истечения // Известия Горского государствен-

References:

1. Gerasimov E.V. A device for unloading from the hopper poorly flowing heap / E.V. Gerasimov, Ovsyannikov S.A., Shmatko G.G.// Collection of scientific works Sworld. 2013. V. 6. № 1. S. 61-64.

2. Shmatko G.G. Justification of the geometric dimensions of the expiration of stimulus / G.G.Shmatko, RidnyiS.D.// Proceedings of Gorsky State Agrarian University. 2010. The T. 47. № 2. S. 138-139.

3. Shmatko G.G. A device for unloading from the hopper poorly flowing heap / Shmatko G.G., Ridnyi S.D. -Patent An invention RUS 2370941. 28.07.2008.

4. Shmatko G.G. Devices for improving discharge from the combine hopper poorly flowing heap. Mechanization and Electrification of Agriculture. 2010. № 1. S. 5-6.

5. Shmatko G.G., Ridnyi S.D. Justification of the geometric dimensions of the expiration of stimulus // Proceedings of Gorsky State Agrarian University. 2010. The T 49, № 3. S. 305-308.

68

,,„ „„„„, Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

ного аграрного университета. 2010. Т. 49, №-3. С. 305-308.

6. Герасимов Е.В., Шматко Г.Г. Устройство для разрушения сводообразования малосыпучего зернового вороха бункера зерноуборочного комбайна//Сборник научных трудов Sworld. 2013. Т. 6, № 1. С.67-69.

7. Шматко Г.Г Анализ силовых факторов и затрат мощности побудителя истечения при выгрузке из бункера комбайна малосыпучего вороха люцерны / Шматко Г.Г, Герасимов Е.В., Ридный С.Д. // Известия Горского государственного аграрного университета. 2012. Т. 49. № 3. С. 305308.

8. Ридный С.Д. Обоснование конструктивно-технологического решения сводораз-рушающего устройства бункера зерноуборочного комбайна / Ридный С.Д., Шматко Г.Г. // Известия Горского государственного аграрного университета. 2009. Т. 46. № 2. С. 101-105.

9. Шматко ГГ. Рассмотрение влияния изменения частоты и амплитуды работы сво-доразрушающего устройства на распространения колебаний в ворохе люцерны / Г.Г Шматко, Е.В. Герасимов // АГРАРНАЯ НАУКА - СЕВЕРО-КАВКАЗСКОМУ ФЕДЕРАЛЬНОМУ ОКРУГУ : 75-я научно-практическая конференция. 2011. С. 213.

10. Ридный С.Д. Устройство для разрушения сводообразования малосыпучего вороха бункера зерноуборочного комбайна/Рид-ный С.Д., Шматко ГГ. - патент на изобретение RUS 2416558 11.05.2010.

6. E.V.Gerasimov, Shmatko G.G. Device for the destruction of bridging poorly flowing grain heap silo Harvester // Collection of scientific works Sworld. 2013. T. 6, № 1. S. 67-69.

7. Shmatko G.G. Analysis of power factor and power costs stimulus expiration at discharge from the combine hopper poorly flowing heap of alfalfa / GGShmatko, E.V.Gerasimov, RidnyiS.D.// Proceedings of Gorsky State Agrarian University. 2012. The T.49. №3. S. 305-308.

8. Ridnyi S.D. Justification of constructive and technological solutions arch destruction device bunker Harvester / Ridnyi S.D., Shmatko G.G.// Proceedings of Gorsky State Agrarian University. 2009. The T.46. №2. S. 101-105.

9. Shmatko G.G. Consideration of the impact of changes in the frequency and amplitude of work arch destruction device for propagation of oscillations in the heap of alfalfa / G.G. Shmatko, E.V.Gerasimov // Agrarian Sciences -SEVERO Caucasus Federal District 75th Scientific Conference. 2011. 213 pp.

10. Ridnyi S.D. Device for the destruction of bridging poorly flowing heap silo Harvester / Ridnyi S.D., Shmatko G.G - patent an invention RUS 2416558 11.05.2010