Энергетические показатели шнеково-вальцового очистителя корнеплодов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Энергетические показатели шнеково-вальцового очистителя корнеплодов

В.М. Мартынов, д.т.н., Г.П. Юхин, д.т.н., профессор, А.А. Катков, к.т.н., А.М. Калимуллин, к.т.н., Башкирский ГАУ

В Башкирском ГАУ разработано универсальное и многофункциональное устройство, представляющее собой шнеково-вальцовый очиститель корнеплодов [1—4]. Его универсальность заключается в возможности обработки различных видов корнеплодов и клубней картофеля. Кроме того, очиститель может использоваться в составе комбайна [5, 6], а после демонтажа — в линии

подготовки кормов для сухой доочистки корнеклубнеплодов. Установленный под углом у к вертикали шнеково-вальцовый очиститель (рис. 1) позволяет не только очищать ворох корнеплодов от почвенных и растительных примесей, но и непрерывно принимать от выкапывающего рабочего органа и транспортировать корнеплоды с подъёмом на значительную высоту.

Работоспособность, качество работы и энергоёмкость данного устройства во многом определяются правильным подбором его конструктивных и

Рис. 1 - Общий вид шнеково-вальцового очистителя корнеплодов

кинематических параметров. Основные параметры шнеково-вальцового очистителя обусловлены его работоспособностью и качеством работы [7—11].

Цель исследования — определение мощности на привод работы шнеково-вальцового очистителя и оптимизация его параметров и режимов работы.

Материалы и методы исследования. Поставленные цели решались с помощью теоретических методов исследования.

Результаты исследования. Энергетический расчёт производили в полном соответствии с полученным законом движения компонента вороха корнеплодов в винтовом конвейере-очистителе [7—9]. За основу принят случай установившегося движения корнеплода между вальцами [10].

Мощность, затрачиваемую на транспортировку и очистку корнеплодов, представим в виде [7]:

Р = Р + Р2 , (1)

где Р1 — мощность на привод шнека; Р2 — мощность на привод вальцов. Мощность Р1 определяется трением материала о виток и затратами на подъём материала и вычисляется по формуле:

Р1 = N со8а(/ю0 г + и), (2)

где N — суммарная нормальная реакция на витки шнека со стороны транспортируемого вороха корнеплодов;

а — угол подъёма винтовой линии шнека на радиусе г;

/1 — коэффициент трения скольжения корнеплода о поверхность винта шнека;

Рис. 2 - Схема действующих сил на корнеплод, находящийся между вальцами

и — скорость продольного перемещения материала, равная

и = ав • Ю0 = S • ю0

/(2п),

(3)

где ав = г • tgа = Б/(2л) — параметр винтового конвейера, м; S — шаг винта, м.

При нахождении компонентов вороха корнеплодов между вальцами (рис. 2) нормальная реакция на виток N вычисляется по формуле:

N¡ = [ • cosy + /2 • ((21 + N22 )• аеЮо /и]

/(cosa- /1

sin a)

(4)

где О — загрузка шнека ворохом корнеплодов в смеси с почвенными примесями, Н; /2 — коэффициент трения скольжения корнеплода о поверхность вальца; Ы21, Ы22 — нормальные реакции со стороны вальцов, Н;

ив — относительная к вращающимся вальцам

скорость корнеплода, равная

4

ав Ю)2 + ( Ю -фк Гк )2'

(5)

N21 = G

где re — радиус вальцов, м; гк — радиус корнеплода, м; юв — угловая скорость вращения вальцов, рад/с; ф к — угловая скорость вращения компонента вороха корнеплодов при нахождении между вальцами, рад/с.

Реакции N21 и N22 определяются по формулам [11]:

(cos9 + fsin 9)[(cosa-/sin a)sin ysin ee - cosy(sin a + /¡cosa)] -

ю0 — угловая скорость вращения шнека, рад/с; г — радиус, на котором располагается центр массы корнеплода относительно оси вращения шнека;

2 sin 8[cos8(l + /2'2 )(cosa- /¡sin a) +

- sin y- cosee [((cos0- sin 9)(cosa- /¡sin a)+/2 (sin a + /¡cosa)] + /2/2 (sin a + /¡cosa)]

N22 =

О • 8ш у • cose8 + М21 • [ • 9 • (ю8 - фкгк)/ц - cos9]

С089 + /2 • 8Н1 9 • (ГеЮе - фкГк )/ие

(7)

где 9 = ш^т[ + 8/2)/(ге + гк)];

/'= /2ае®0/ие ;

/'= /г (ге®е -фкГк )/ие ;

ге — угол установки вальцов; 5 — зазор между вальцами, м. Для упрощения дальнейших расчётов примем угловую скорость компонента вороха фк равной нулю. В формулы (4), (6) и (7) необходимо положить в качестве О загрузку шнека ворохом корнеплодов в смеси с почвенными примесями, т.е.

О = g•Q•L/и, (8)

где 0 — производительность очистителя, кг/с; Ь — длина очистителя, м. Мощность на привод вальцов с учётом найденных значений Ы21 и Ы22 определяется по формуле:

2 )/2 (е Ге )2 ЦК Ге ) +(®0 ^ ) . (9)

21 + N22)

н И

250 200 150 100 50 0

N

3 \

Ч1 N

,2

Р2 = (

С учётом засорённости корнеплодов почвой и растительными остатками, возможного защемления и дробления корнеплодов и почвенных комков в зазорах между наружной кромкой витка шнека и внутренней поверхностью жёлоба, а также с учётом коэффициентов полезного действия трансмиссии потребная мощность для привода очистителя может быть найдена по формуле:

Рп = кп ко к3Р / Лг, (10)

где кп — коэффициент засорённости вороха корнеплодов почвой и растительными остатками, кп = 1,05—1,25, причём большее значение характерно для процесса уборки, а меньшее — для доочистки в составе кормоцеха; к0 — коэффициент, учитывающий защемление корнеплодов и дробление почвенных комков, к0= 1,1—1,3;

к3 = 1,1—1,25 — коэффициент запаса мощности, учитывающий возможность пуска конвейера-очистителя под нагрузкой; Г[Т — коэффициент полезного действия трансмиссии.

Заметим, что мощность на привод очистителя при одном и том же передаточном отношении между шнеком и вальцами не зависит от частоты их вращения. Это объясняется тем, что при постоянной производительности очистителя с увеличением частоты их вращения пропорционально снижается загрузка очистителя ворохом корнеплодов. Заметим также, что предпочтительным вариантом с точки зрения качества очистки корнеплодов и равномерного износа поверхности вальцов является равенство Ы21 = Ы22.

На рисунке 3 показаны зависимости составляющих мощности на очистку и транспортировку корнеплодов от угла наклона очистителя к гори-

0 5 10 15 20 25 30 35

Угол наклона очистителя, град.

Рис. 3 - График зависимости мощности от угла наклона очистителя к горизонту при Ы21 = Ы22: 1 - на привод шнека; 2 - на привод вальцов; 3 - на транспортировку и очистку корнеплодов

зонту. В расчёте приняты: 0 = 1,4 кг/с, Ь = 2,5 м; £ =0,66 м; г =0,47 м; гв =0,05 м; гК =0,05 м; /1= У2= 0,9. Угол установки вальцов принят из условия Ы21 = Ы22.

Условие равенства #21 = Ш22 при изменении угла наклона очистителя к горизонту сопряжено с необходимостью изменения угла установки вальцов (рис. 4). При этом изменяются нормальные реакции на корнеплод со стороны витка шнека и вальцов (рис. 5). Здесь нормальные реакции представлены удельными величинами в расчёте на единицу силы тяжести корнеплодов.

80 70 60 50 40 30 20 10 0

я

5

а я о

£

о

^

н о

1-е

0 5 10 15 20 25 30 35

Угол наклона очистителя, град.

Рис. 4 - Зависимость угла установки вальцов от угла наклона очистителя к горизонту при условии равенства Ы21 = Ы22

Мощность на привод шнека определяет в основном очищающую способность устройства. Чем больше эта мощность, тем больше достигается трение корнеплодов о виток и, как следствие, обеспечивается лучшая очистка корнеплодов от связанной с ними почвы. Поэтому оптимальный угол наклона очистителя к горизонту 25°. При этом угле из условия #21 = Ш22 угол ге =42,5°.

Выводы. 1. Установлены зависимости мощности на привод рабочих органов шнеково-вальцового

Ü 1,20 I 1,05

га ,

0

0,90

§ 0,75 л

§ 0,60

IS

& 0,45

К

а 0,30

1 0,15 « 0,00

0 5 10 15 20 25 30 35

Угол наклона очистителя, град.

Рис. 5 - Зависимость удельных нормальных реакций N (4) и N2j = N22 (6) от угла наклона очистителя к горизонту

очистителя корнеплодов от его конструктивных и кинематических параметров.

2. Определены оптимальные конструктивные параметры шнеково-вальцового очистителя корнеплодов: угол наклона очистителя к горизонту — 25°, угол установки вальцов — 42,5°. Установлено, что энергоёмкость процесса очистки корнеплодов не зависит от частоты вращения шнека и вальцов.

Литература

1. Патент 2223628. Российская Федерация. Устройство для очистки корнеклубнеплодов / Юхин Г. П., Мартынов В.М., Катков А. А. Калимуллин А.М.; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2002121554/12; заявл. 05.08.02; опубл. 20.02.04. Бюл. № 5. 8 с.

2. Патент 2268575. Российская Федерация. Очиститель корнеплодов / Юхин Г.П., Мартынов В.М., Катков А.А. Калимуллин А.М.; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2004117662/12; заявл. 09.06.04; опубл. 27.01.06. Бюл. № 3. 7 с.

3. Патент 2272396. Российская Федерация. Очиститель вороха корнеклубнеплодов / Юхин Г.П., Мартынов В.М., Катков А.А., Калимуллин А.М.; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2004124394; заявл. 10.08.04; опубл. 27.03.06. Бюл. № 9. 7 с.

4. Патент 2338366. Российская Федерация. Транспортёр-очиститель корнеплодов / Юхин Г.П., Мартынов В.М., Катков А.А. Калимуллин А.М.; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2007109383/12; заявл.14.03.07; опубл. 20.11.08. Бюл. № 32. 5 с.

5. Патент 2272394. Российская Федерация. Комбайн для уборки корнеклубнеплодов / Мартынов В.М., Юхин Г.П., Кали-муллин А.М., Катков А.А. заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2004124393; заявл. 10.08.04; опубл. 27.03.06. Бюл. № 9. 6 с.

6. Патент 2338365. Российская Федерация. Корнеклубнеубо-рочный комбайн / Мартынов В.М., Юхин Г.П., Калимуллин А.М., Катков А.А.; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2007109382/12; заявл.14.03.07; опубл. 20.11.08. Бюл. № 32. 7 с.

7. Карташов Л.П., Юхин Г.П., Мартынов В.М. и др. Рекомендации по проектированию очистителей корнеклубнеплодов шнекового типа от почвы. М: Россельхозакадемия, 2005. 36 с.

8. Карташов Л.П., Юхин Г.П., Мартынов В.М. и др. Моделирование рабочего процесса шнеково-вальцового очистителя корнеплодов от почвенных примесей // Техника в сельском хозяйстве. 2005. № 1. С. 11-15.

9. Мартынов В.М. Взаимодействие корнеплода с витком шнека и вальцом очистителя // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 12. С. 10-12.

10. Мартынов В.М. Исследование движения корнеплода на вальцах очистителя // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 4. С. 7-9.

11. Мартынов В.М. Проектирование рабочих органов и машин для уборки корнеплодов. Уфа: Изд-во Башкирского ГАУ, 2011. 250 с.