CC BY
38
•4,2
= u( z);
Z1,2 = ±(R2 - u)~
2(rK - rH )
fb( z -1) + JZ Ab
(9)
где z — количество витков шнека по длине вала; АЬ — ширина витка шнека в нормальном сечении, м.
Винтовые поверхности вращения P1 и P2 шнека переменного шага пресс-экструдера для образующих L1 и L2 [3] с учётом выражения (7) описываются параметрическими уравнениями:
x1 2 = u cos9; y12 = u sin ф;
Z1, 2 =±(R2 - u)~
2(rK - rH )
<b ■ (z -1) + £f Ab а с учётом выражений (3) и (5), окончательно примут вид:
x12 = r cosф; д2 = r sin ф. (10)
Выводы. Винтовые поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера описываются параметрическими уравнениями (9) и являются технологичными с учётом рациональных конструктивных параметров и угла поворота (ф = 360N), позволяющие увеличить уплотнение ОКМ на основе подсолнечного жмыха с меньшей энергоёмкостью рабочего процесса.
Подсолнечный жмых получают путём экстру-дирования целых семян, имеющих определённые
физико-механические свойства [5—7], полученных на воздушно-решётных зерноочистительных машинах [8, 9].
Литература
1. Новиков В.В. Экспериментальное обоснование рациональных параметров модернизированного экструдера КМЗ-2,0У / В.В. Новиков, В.В. Коновалов, Л.В. Иноземцева, Д.В. Беляев // Нива Поволжья. 2010. № 4. С. 48-51.
2. Фролов В.Ю. Совершенствование технологий и технических средств приготовления и раздачи высококачественных кормов на малых фермах: дисс. ... докт. техн. наук. Новосибирск, 2002. 302 с.
3. Фролов В.Ю. Теоретические и экспериментальные аспекты разработки технологий и технических средств, приготовления коцентрированных кормов на основе соевого белка. Краснодар: КубГАУ, 2010. 140 с.
4. Коновалов В.В., Орсик И.Л., Успенская И.В. Оптимизация конструктивно-технологических параметров направителя пресс-экструдера по неравномерности давления в зоне загрузки // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 2(30). С. 161-165.
5. Припоров И.Е. Использование подсолнечного жмыха в рационе крупного рогатого скота // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 184-187.
6. Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Влияние толщины, ширины и индивидуальной массы семян подсолнечника на скорость их витания. Масличные культуры // Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. 2010. № 1 (142-143). С. 76-80.
7. Припоров И.Е. Механико-технологическое обоснование процесса разделения компонентов вороха семян подсолнечника на воздушно-решётных зерноочистительных машинах. Краснодар: КубГАУ, 2016. 212 с.
8. Трубилин Е.И., Припоров И.Е. Технические средства для послеуборочной обработки семян подсолнечника: учебное пособие. Краснодар: КубГАУ, 2015. 237 с.
9. Припоров Е.В., Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Эффективная очистка семян подсолнечника // Сельский механизатор. 2014. № 1 (59). С. 15.
a
Экспериментально-теоретическое обоснование конструкции и диаметра трубного вала шнека-мотовила жатки для уборки подсолнечника
А.С. Старцев, к.т.н, ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ
При проектировании и разработке современных уборочных машин необходимо ориентироваться на различные физико-механические свойства и геометрические особенности убираемых культур, которые могут варьироваться в широких пределах [1, 2].
Материал и методы исследования. На кафедре «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК» Саратовского ГАУ была разработана конструкция шнека-мотовила специализированной жатки для уборки подсолнечника [3].
Шнек-мотовило состоит из трубного вала 1, оснащённого двусторонней навивкой 2, к которому жёстко крепятся Г-образные отсекатели 3. Конструкция оснащена стеблеподъёмниками 4 (рис. 1).
Работает приспособление следующим образом. Зерноуборочный комбайн входит в стеблестой подсолнечника стеблеподъёмниками 4, разделяя его по междурядьям. Захват стеблей осуществляется
витками 2 шнека и отсекателями 3, в процессе чего происходит наклон стеблей витками к центру шнека-мотовила таким образом, чтобы корзинки оказались над днищем жатки. В результате этого снижается ускорение движения корзинок и семянки осыпаются над днищем жатки. Стебли, не захватываемые отсекателями 3, попадают под воздействие витков 2 шнека, которые также наклоняют их к центру днища жатки. Вследствие этого удаётся избежать прямого удара корзинок подсолнечника о трубный вал шнека-мотовила и, как следствие, осыпания семянок с последующим отбросом их за пределы бокового фартука 5.
Определяющим значением работы разработанной конструкции являлось определение влияния величины диаметра трубного вала и трубного вала с навивкой на осыпаемость семянок подсолнечника, а также влияния ускорения движения корзинки ^корз на величину потерь семянок.
Для определения зависимости ускорения движения корзинки ^ от осыпаемости семянок была
5 4 3 2 1
Рис. 1 - Шнек-мотовило:
1 - трубный вал; 2 - витки шнека; 3 - отсекатели; 4 - стеблеподъёмники; 5 - боковой фартук
изготовлена экспериментальная установка (рис. 2), в которой закреплялись специальные фрагменты трубного вала и трубного вала с навивкой, имеющие разные диаметры.
Лабораторная установка состояла из основания 1, к которому жёстко крепились упоры 2 основания, также жёстко сопряжённые со стойками 3. Стойки 3 верхними концами соединялись перемычкой 4, в центре которой шарнирно подвешивали трубу 5 с расширенным участком 6, в который вставляли фрагмент 7 стебля подсолнечника с корзинкой.
Стойки 3 в нижней части соединялись осью 9 с установленным на ней фрагментом 8 трубного вала мотовила. Ось 9 прикреплена к стойкам 3 с помощью хомутов 10, позволяющих перемещать фрагмент трубного вала вертикально по стойкам в зависимости от вида удара о него корзинки или стебля.
Точное обозначение отклонения подвеса обеспечивается градуированным сектором 11, установленным в верхней части стойки 3. Сбор осыпавшихся семянок в результате контакта части растения с фрагментом трубного вала мотовила производился в лоток 12, в котором находилось основание 1 установки.
Целью лабораторных экспериментов являлось исследование зависимости осыпаемости семянок от скорости движения комбайна (величина отклонения подвеса) и диаметра трубного вала шнека-мотовила.
За критерий принимали величину осыпаемости семянок, которую выражали в штуках и процентном отношении (у) к биологической урожайности [4]. К основным факторам относили диаметр фрагмента трубного вала мотовила Дал (х1) и угол отклонения подвеса а (х2).
Назначали пять уровней варьирования: 0,32 м; 0,32 м с витком шнека Нвит = 0,15 м; 0,38; 0,44; 0,5 м.
Общая длина подвеса с фрагментом растения составляла 0,164 м, масса подвеса — 2753 г.
Предварительное исследование, которое проводили при Двал= 0,3 м и угле отклонения а = 40°, показало, что в трёх случаях из десяти наблюдался излом стебля при его контакте с фрагментом трубного вала мотовила. Поэтому исследование фрагментов трубного вала мотовила проводили начиная с Ввал = 0,32 м.
Результаты исследования. Для назначения уровней варьирования угла отклонения а(х2) была разработана математическая модель перевода угла отклонения а в линейную скорость движения комбайна.
Очевидно, что разработанную лабораторную установку можно рассматривать как физический маятник, нижняя точка которого ударяется о трубный вал мотовила (рис. 2).
В точке удара о трубу угол подвеса с вертикалью составит [5]:
/
«удар = аГС8Ш
Дл 21
(1)
где аудар — угол подвеса с вертикалью в точке удара, рад;
Двал — диаметр трубного вала, о который происходит удар, м;
1м — приведённая длина физического маятника (длина подвеса), м. Дифференциальные уравнения колебаний физического маятника в зависимости от силы тяжести примут вид: 2
1м = т^м -(«удар ); (2)
1м = Я зтКдар), (3)
где I — момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса, кг-м2;
т = м + тп
(4)
I т (гм2 + И*) г 2 I == -^ = + и
М 1 1 1 М
тИМ тИМ И,
(5)
где гм — радиус инерции маятника относительно оси, проходящей через центр тяжести, м;
Рис. 2 - Экспериментальная установка:
I - основание; 2 - упор основания; 3 - стойка; 4 - перемычка; 5 - труба; 6 - участок трубы; 7 -фрагмент части растения; 8 - фрагмент трубного вала мотовила; 9 - ось крепления; 10 - хомут;
II - градуированный сектор; 12 - лоток; С - центр тяжести маятника; Нм - расстояние от точки вращения до центра тяжести маятника; - сила тяжести маятника; 1м - приведённая длина физического маятника; гм - радиус инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести
т — суммарная масса подвеса, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2; км — расстояние от точки подвеса до центра тяжести маятника, м; /м — приведённая длина подвеса, м. Суммарная масса подвеса составит:
V 2 (6)
т V 2
р — суммарная плотность подвеса (т.к. плотность стали, из которой изготовлен подвес, значительно превышает плотность стебля подсолнечника, считаем суммарную плотность равной плотности стали) кг/м3; р = 7850 кг/м3;
гм= 1,588 м;
г1 и г2 — внутренний и внешний радиусы трубы, м.
Уравнения (2) и (3) аналогичны уравнению колебаний математического маятника длиной /м. Преобразуем их к виду:
¡За с12а
1м • —^ л = - Я зш(<1 )Сау
(9)
Сг Л2
Линейная скорость равна произведению угловой скорости точки на расстояние от центра вращения до этой точки. Следовательно, в момент удара линейная скорость будет равна:
Са
иудар = м С=
1 1 -
=2>га
81П|! --
Д
Л 2
вал 21
(10)
где ттр — масса подвеса 5 (рис. 2), кг; тподв — масса участка 6 подвеса, кг; тстеб — масса стебля с корзинкой, кг. Массу стебля тстеб для проведения испытаний принимали равной 0,730 кг с отклонением ±0,020 кг.
Решение уравнений (2) и (3) будет иметь вид:
Учитывая полученные значения углов и диаметров и задавшись технологически возможной скоростью движения комбайна при уборке подсолнечника, составили таблицу зависимости потерь семянок от скорости удара [6].
По таблице видно, что максимальным углом отклонения подвеса будет являться угол а, равный 90°. Очевидно, что скорость 6,39 м/с (23,06 км/ч)
Скорость удара корзинки и стебля о фрагмент трубного вала
Угол отклонения подвеса а Диаметр трубного вала (Овш), м
с навивкой без навивки
град. рад 0,32 0,32 0,38 0,44 0,5
10 0,174533 0,71 0,71 0,68 0,63 0,58
20 0,349066 1,54 1,54 1,52 1,50 1,48
30 0,523599 2,32 2,32 2,31 2,30 2,29
40 0,698132 3,08 3,08 3,08 3,07 3,06
50 0,872665 3,82 3,82 3,81 3,80 3,80
60 1,047198 4,52 4,52 4,52 4,51 4,50
70 1,22173 5,19 5,19 5,19 5,18 5,18
80 1,396263 5,82 5,82 5,82 5,81 5,81
90 1,570796 6,41 6,41 6,40 6,40 6,39
Рис. 3 - Определение скорости отбрасывания корзинки от трубного вала мотовила
Рис. 4 - Проведение экспериментальных опытов по исследованию осыпаемости семянок подсолнечника
Рис. 5 - Зависимость потерь семянок подсолнечника на 1 м2 от ускорения движения корзинки м/с2, при ударе её о трубный вал мото-
корз>
вила
Рис. 6 - Зависимость потерь семянок подсолнечника на 1 м2 от ускорения движения корзинки мкорз, м/с2, при ударе стебля о трубный вал мотовила
технологически невозможна для уборки подсолнечника, но для полноценности эксперимента можно оставить данный уровень варьирования. Таким образом, уровни варьирования отклонения угла подвеса а (х2) составят от 10 до 90 град.
В ходе эксперимента были получены данные о потерях семянок в результате удара стебля и корзинки подсолнечника о трубный вал и времени отбрасывания корзинки ?о1бр.
Ускорение движения корзинки ^корз зависит от скорости отбрасывания её о1 от трубного вала мотовила после удара (рис. 3), которую определяли при угле р.
Скорость отбрасывания корзинки (и1) рассчитываем по формуле [5]:
и1м= \
8Ш ' 2 Г
1 -
21
\ 2
(11)
где р — угол, на который происходит отбрасывание корзинки, рад.;
коэффициент восстановления — по формуле: и
к = ; (12)
^удар
ускорение движения корзинки — по формуле:
^ = -
корз
и1 +и
удар
и
удар
(1 + к)
tо
tо
(13)
(отбр (отбр
где ?от6р — момент времени, за который происходит отбрасывание корзинки, с.
Эксперимент проводили следующим образом. Фрагмент 7 стебля подсолнечника (рис. 2) плотно вводили в расширенный участок 6 подвеса с таким расчётом, чтобы в момент контакта (удара) корзинка или часть стебля соприкасалась с центральной точкой фрагмента 8 трубного вала мотовила. Подвес отклоняли на определённый градуированным сектором угол, фиксировали в заданном положении и отпускали (рис. 4).
Определяли угол отбрасывания корзинки р от поверхности трубного вала мотовила за момент времени ?от6р, который фиксировался секундомером.
Исследование проводили в двух возможных положениях корзинки и стебля при контакте с рабочими органами мотовила: соприкосновение с трубным валом мотовила выпуклой частью и контакт трубного вала мотовила с верхней частью стебля.
Снижение потерь семянок подсолнечника ^Кюрз, ^стеб при контакте корзинки или стебля с витком шнека-мотовила объясняется тем, что наличие навивки позволяет уменьшить ускорение движения корзинки ^корз, вследствие чего происходит смягчение удара о поверхность трубного вала.
По данным таблицы методом наименьших квадратов были получены уравнения полиномов зависимости потерь семянок от ускорения столкновения корзинки и стебля подсолнечника с рабочими органами мотовила с навивкой и без навивки. На основании уравнений построили графические зависимости потерь семянок Е от ускорения движения корзинки ^корз (рис. 5, 6). Штучные потери семянок переводили в процентные значения от биологической урожайности [4].
Зависимости были построены в графическом редакторе Advanced Grapher путём внесения в программу данных о потерях семянок подсолнечника в зависимости от диаметра фрагмента трубного вала мотовила и угла отклонения подвеса.
На рисунках 5 и 6 цифрой 1 обозначен трубный вал мотовила 0 0,32 м с витком шнека шириной Д,ит=0,15 м; 2 — трубный вал мотовила 0 0,32 м без навивки; 3 — трубный вал мотовила 0 0,38 м без навивки; 4 — трубный вал мотовила 0 0,44 м без навивки; 5 — трубный вал шнека-мотовила 0 0,5 м без навивки. Данные экспериментальные зависимости описываются соответствующими уравнениями регрессии.
При ударе корзинки о трубный вал мотовила уравнения имеют вид:
1. Y (x) = 0,2375592 exp°-0033576x.
2. Y(x) = 0,2017583 exp0-0023895x.
3. Y(x) = 3,4465902 exp0-00175x.
4. Y(x) = 6,6306162 exp0,0014904x.
5. Y (x) = 10,9661856 exp0,0012996x.
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
Как показывают зависимости, с уменьшением диаметра трубного вала Лвал потери семянок подсолнечника снижаются. При его уменьшении с 0,5 до 0,32 м потери семянок снижаются с 1,12 до 0,28% при ао1кл=30°. Кроме того, уменьшение потерь семянок наблюдается и при контакте корзинки с навивкой шнека-мотовила. В сравнении с фрагментом трубного вала Двал= 0,32 м эти потери ниже в среднем на 15% [4].
Снижение потерь от контакта с навивкой наблюдается при каждом шаге варьирования угла отклонения.
При ударе стебля о трубу уравнения примут вид:
1. У(х) = 0,5765151 ехр0 0017647х. (19)
(20) (21) (22) (23)
2. У (х) = 0,7457632 ехр°-0022760х.
3. У (х) = 2,1644206 ехр0,0019454х.
4. У (х) = 3,9368855 ехр0-0017623х.
5. У (х) = 6,4074361 ехр0,0015819х. Однако с увеличением ускорения движения
корзинки ^корз потери семянок при контакте с навивкой шнека-мотовила увеличиваются. Максимальные составляют 0,57% при ускорении движения корзинки до 84 м/с2, что в реальных производственных условиях недопустимо.
Вывод. Для снижения потерь семянок подсолнечника при уборке необходимо придерживаться технологической скорости движения комбайна и целесообразно оснащение жатки шнеком-мотовилом.
Литература
1. Пат. 2523847 РФ, МПК А0Ю34/00 Валковая жатка / М.М. Константинов, С.С. Пашинин, И.Н. Глушков, А.Н. Кондратов Заявл. 04.05.2012; опубл.27. 07. 2014. Бюл. № 21.
2. Пат. 2362293 РФ, МПК А 01 D 45/02. Кукурузоуборочный комбайн / Е.В. Труфляк, В.С. Кравченко, Е.И. Трубилин. Заявл. 19.11.2008; опубл. 27.07.2009. Бюл. № 21.
3. Пат. 72115 РФ, МПК А 01 D 34/00 / Ю.И. Попов, И.Ю. Попов, М.Ю. Попов, А.С. Старцев. Заявл. 10.12.2007; опубл. 10.04.2008. Бюл. № 10.
4. Константинов М.М., Глушков И.Н. Оценка уровня потери зерна за порционной жаткой, оснащённой устройством для образования стерневых кулис // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 3 (59). С. 86-89.
5. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М.: Астрель, 2006. 509 с.
6. Константинов М.М., Глушков И.Н., Пашинин С.С. Обоснование соотношения скоростей накопительного транспортёра и энергосредства порционной жатки // Научное обозрение. 2015. № 11. С. 24-30.
