Исследование процесса принудительного расстила ленты льнокомбайном Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРИНУДИТЕЛЬНОГО РАССТИЛА ЛЕНТЫ ЛЬНОКОМБАЙНОМ

Р.А. РОСТОВЦЕВ, кандидат технических наук

ВНИПТИМЛ

А.Н. ЗИНЦОВ, кандидат технических наук

Костромская ГСХА

Сегодня на льноуборочных комбайнах для расстила ленты на льнище применяются расстилочные щиты (столы) с пассивным расстилом стеблей [1]. Растения движутся по щиту с поворотом ленты на 90° путем образования веера стеблей под действием силы тяжести и сцепленности между собой.

Основной недостаток такого расстилочного щита

— значительное снижение качества ленты при работе комбайна в ветреную погоду, так как растения во время движения по щиту ничем к нему не поджаты. Если же их поджать к щиту, то лента не будет перемещаться под действием собственного веса. Еще одна проблема — изменение наклона расстилочного щита к горизонту возможно в очень узком диапазоне углов. В случае выхода за его пределы, лента или не будет перемещаться, или станет спадать с него.

В последнее время все шире применяется Устройство с активным расстилом ленты растений [2] (рис. 1). Оно состоит из ручья, образованного одной боковой кромкой бесконечного плоского ремня с паль-

Рис. 1. Расстилочный шит с активным расстилом ленты растений.

цами, огибающего шкивы и ролики, а также двух направляющих прутков, копирующих кромку с обеих сторон. При этом пальцы или зубья выполнены на указанной кромке, а ролики установлены так, что последняя, на части рабочей ветви представляет собой выпуклую кривую линию и выступает над роликами в направлении ширины ремня. Оба направляющих прутка соединены в полоз, закрепленный с возможностью отхода от кромки ремня под действием перемещаемой массы при утолщении ленты.

Несмотря на явное преимущество подобного расстилочного щита, он также не лишен некоторых недостатков. Например, из-за наличия «мертвых зон»

при повышенной влажности растений, а также на засоренном сорняками поле возможно заклинивание ленты между направляющими прутками и рамой устройства. Кроме того, вследствие недостаточной силы сцепления между боковой кромкой ремня и лентой, наблюдается смещение последней относительно ручья, что приводит к перекосам стеблей в ленте и даже их спаданию сбоку щита. Определенные сложности вызывает и взаимодействие пальцев ремня, только с растениями, находящимися в нижнем слое ленты. В то же время стебли верхнего слоя контактируют с прижимными прутками, вследствие чего возникают силы трения, направленные против движения ремня. В результате создается момент сил, и растения начинают перемещаться одно относительно другого, что отрицательно сказывается на качестве ленты.

Для устранения указанных недостатков можно пальцы, расположенные на боковой кромке ремня, выполнить в виде кривой, изогнутой в сторону от роликов в направлении поворота ремня (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения пальцев на боковой кромке ремня: / - боковая кромка; 2 — ремень; 3 — палец; 4 — шкив; 5 — ролик; 6 — поверхность стола.

В ходе работы устройства ручей образуется боковой кромкой ремня, при его повороте вокруг своей оси симметрии за счет скрещивающихся осей шкивов и роликов. Во время поворота пальцы, представленной формы, проникают в толщу ленты и захватывают растения. При перемещении ленты благодаря криволинейности пальцев происходит поджим стеблей к кромке ремня. В результате этого, и сцепленности растений в ленте предотвращается их выскальзывание из ручья при любом положении последнего в пространстве. Непосредственно перед окончанием транспортирования ремень совершает поворот в обратную сторону, пальцы выходят из ленты и высвобождают стебли. Такое решение позволяет исключить из конструкции направляющие прутки, которые служат причиной многих недостатков, и обеспечить надежное удержание перемещаемых растений на заданной траектории.

Рассмотрим принудительное движение ленты льна по расстилочному столу таким устройством и определим необходимое число пальцев. Траекторию центра тяжести стеблей в месте, где происходит их поворот, можно представить как окружность (рис. 3). На протя-

жении всего пути ленты со стороны транспортера на растения действуют удельные силы р, осуществляющие их перемещение; удельные силы трения т, направленные против движения; удельные силы тяжести G. Расположим оси координат, так, чтобы плоскость хоу лежала в плоскости стола, и

Рис. 3. Схема сил, действующих спроектируем На НИХ Все на ленту льна при принудительном СИЛЫ, действующие на расстиле. ленту при ее повороте.

а1

К = }рК sin acidaci - Jzfi, sin addac¡ +

0 0

a( ar

+ | G’Rcdac¡ + jp'Rc cosacidacj, o o

a, o..

' py = }/^c cosandaa - Jzí?c cosac¡datx + (1)

0 0

ar af

+ ^G'Rdau + Ip'Rc sinaiidau,

0 0

a,. a,.

Pz = ]nRrda„ - fG"Rcda,„

0 0

где p'— удельные силы трения, удерживающие ленту растений на заданной траектории; Лиа- радиус и угол ее поворота, соответственно; п — нормальные силы, действующие на ленту; G\ G", G"'— проекции сил тяжести на оси координат ox, оу, oz соответственно.

Примем, что силы трения постоянны на всем пути перемещения ленты и равны ¡л п. Из третьего уравнения системы (1) ввдно, что п = G". Так как расстилочный стол расположен под углом к горизонту, то проекции удельных сил тяжести на оси координат можно найти, как

G' = mciag sin а,,

■ G’ = mcing sin Рг, (2)

G” = m,i„g cosa, cos fi,

где mc — масса одного стебля; in — число стеблей на погонном метре ленты; /3 и а — углы наклона рас-стилочного стола относительно осей х и у соответственно; g — ускорение свободного падения.

Число стеблей на одном погонном метре ленты на расстилочном столе льнокомбайна рассчитывается по следующей формуле [3]:

¿„ = BLIV /V (3)

п U р м рт ' '

где В — ширина захвата теребильной секции; io — густота стеблестоя (число стеблей на 1 м2 поля); / — число ручьев теребильной секции, из которых формировалась лента; К — скорость движения машины; Кт — скорость ремней зажимного транспортера.

Так как стебли льна движутся с постоянной скоростью vT равной скорости ремня, то их ускорение при повороте будет равно vf/Rc и направлено по рагиусу поворота.

С учетом изложенного, согласно второму закону Ньютона можно записать

Ч а,

j4‘>/2 eos acidaü = \pRc sin acidaci -0 0

ac

- JJtvm(ingRt. eos a¿ eos Д, sin addati + o

ac at

+ JmcingRc sin a,dac¡ + jp'Rccosaadaa,

0 0

ar ar

■ - JmAVT sin avidav¡ = jpR, eos addad - (4)

0 0

at.

~ ¡McmJnSK cosa, C0SA COSacidacx +

0

ae af

+ ¡mJ„gmci„gRc sin /3¿daci - jpRc cos acidac¡,

0 0

a, a,.

pz = \nRcdaci- jmci„gRc cosae eos fiedaci

0 0

проинтегрировав, получим mri„v2r sin ar = pRc (l - eos ac)--MrmJn8Rccosаг cos Д(1-cosa,,)+

+ mt.ingR, occ sin ar + p’Rt sin ac,

• ~ mJrvT i1 “ cos ac) = PK sin ac~ (5)

- jucmcingRc cos ar, cos Д, sin a, +

+ mci„ gRcac sin Д - p% (l - cos ac), n = mcing cos аг cos Д..

Предположим, что рабочая кромка ремня гладкая, тогда удельная сила р — равна силе трения стеблей с транспортирующим ремнем т , а сила р' будет складываться из силы трения стеблей с транспортирующим ремнем x'm¡¡¡¡ и расстилочным столом ?'трс-Причем заметим, что удельные силы/? активны, (осуществляют движение ленты), а силы р' и ее составляющие - пассивны (не совершают работы).

Для перемещения ленты по заданной траектории необходимо, чтобы выполнялись условия Р = mcin [ 2ucgRc cosa, cos Д (l - cosac) - gRcctc(sina, --sina¿ cosac + sin/3^ sinac)]-2pRc(\-cosac)<0, (6)

P' = mJJ 2v\ (l - cos я,.) + gR,aJ sin /?_. --sin ¡3, cosac - sinaг sinac)] - 2 p'Rc (l - cos ac)<0. (7)

Определим силы трения, возникающие при контакте ленты льна с транспортирующим ремнем и поверхностью расстилочного стола. В первую очередь они характеризуются коэффициентом, который зависит от фактической площади контакта и нормального давления. В нашем случае последнее определяется третьим равенством системы (2). Допустим, что на протяжении всего пути транспортирования, растения нижнего ряда ленты находятся перпендикулярно рабочей кромке ремня и по всей длине контактируют со столом и ремнем. Тогда общую длину всех стеблей, находящихся в контакте можно определить из уравнения

^ = ШЛ^ (8)

где X — коэффициент, учитывающий неплотность укладки стеблей в ленте (согласно [3] при отсутствии давления на ленту Ао= 0,15...0,20); /ш — средняя длина стеблей; im = 1/2гот - число стеблей в нижнем ряду на 1 п.м. ленты при их плотной укладке; гст — радиус стебля.

Общая погонная нагрузка на стебли определится из выражения

N,=nRcdaci/Lcm (9)

после подстановки п из системы (2) и равенства (8) получим

Nl = i2mJngrcm С0&аг COS#)/(/UcJ (Ю)

Рассчитаем погонную нагрузку на стебли при тс -0,0015 кг, /о=2000 ст/м2,1 = 4, К = 1,5 м/с, Vpm = 1,5 м/ с, г =0,00°1 м, В = 0,38 м, а = 45°, В = 45°, Г = 1м.

9 ст 9 ’ 9 9 г 9 • г 9 ст

При контактировании стеблей льна с транспортирующим ремнем величину погонного давления определим по уравнению (10), в котором вместо длины стебля возьмем толщину ремня равную 0,01м, так как участок стебля именно такого размера находится с ним в контакте, Nlp - 22,37 Н/м.

Для того, чтобы найти погонное давление при контактировании льна с расстилочным столом в формуле (10) необходимо от длины стебля (примем равной 1 м) отнять ширину прорези под транспортирующий ремень(0,05 м), Nk = 0,24 Н/м.

Накопленный опыт в области трибологии дисперсных материалов свидетельствует, что адгезионная составляющая коэффициента трения, особенно в условиях небольшого нагружения, многократно превышает деформационную. Поэтому обычно под коэффициентом трения подразумевают первую. Формулы и справочные данные для ее расчета подробно представлены в [4], воспользовавшись этой информацией, определим коэффициенты трения для стеблей влажностью 20, 32 и 50%: с транспортирующим ремнем тс 20% =2,88; тс п% =3,14; т 50% =3,27; СР СР

* 9 ср 99

с расстилочным столом тсс20% =0,73; mj2% =0,97; т 50% =2,51.

сс 9

Масса стеблей льна распределяется не только по д лине ленты, но и по ее ширине. При нахождении сил трения будем это учитывать, как отношение участка контактирования стебля с контр-телом к общей длине стебля.

Перепишем неравенства (6) и (7) с учетом распределения массы по длине стеблей, найденных коэффициентов трения и того, что я=т ,ав'=т' +т'

Г 7 г тр.р7 Г тр.р тр.с.

Р = mJJ2}iecgRc V cosa, eos&(l-cosae)~

/ cm

-gRcaJ sitia.', -sina¿cosac+sinfle sitia c)~

~2ИсpSRJip/i cosacospXl-cosac)]<0, (11)

/ cm

P = mcij2v\(l -cosac) + gR,ac( sin¡3e - sin/?, cosac -

- sina! sinac)-2nccgRc 1¡C/ cosaг eos/?г(1 -cosaj-

/ cm

-2ИсР8Кс1ф/1 cosa, eosp^l-cosaj] <0. (12)

/ cm

где l¡c и Lp — участок стебля, находящийся в контакте с расстилочным столом и с транспортирующим ремнем, соответственно.

Теперь примем Яс = 0,5 м, а чТ = 2 м/с и построим графики изменения силы и интенсивности нагрузки (рис. 4), действующие на ленту льна при повороте на 90°. При небольшой влажности (20, 32%), растения будут перемещаться по расстилочному столу, но при этом произойдет их смещение относительно заданной траектории, так как сил трения, действующих перпендикуляр-

Р F”

И =20%

У

<C?i * >

У

3 ■ \ ** - 'NT

0 • 50%

\

\—

-21 ■ 32%

20%

-30 •

С ОХ >87 0,1 74 0,2 •61 0,3 49 0,4 36 0,1 123 0,611 0,698 S* ¡

р.р-

H/¡.

Ф

\

/

- —

-9 • — * ф "и

\

4 *

-21 •

С ) о,с >87 0,1 74 0,2 *61 0,3 149 0,4 136 0,1 >23 0,6 11 0,1 '98 St, i

Рыс. 4. Сила(а) и интенсивность нагрузки (б), действующие на ленту льна прирасстиле: ——-в направлении движения лен-

тыР;--------------п ерпендикулярно направлешт движения лент ы Р.

но движению ленты недостаточно для ее удержания. Эго может привести к перекосу стеблей в ленте и даже их сваливанию сбоку стола. При повышенной влажности растений (50%) из-за увеличения коэффициентов трения лента не смещается относительно заданной траектории, но при этом сил трения стеблей с транспортирующим ремнем явно недостаточно для их перемещения. Из анализа полученных графиков можно сделать вывод, что для нормальной работы расстилочного устройства необходимо увеличивать силу трения между стеблями льна и транспортирующим ремнем или устанавливать на ремне пальцы, которые обеспечивали бы движение стеблей и удержание их на заданной траектории.

Расчет необходимого числа пальцев следугт проводить по усилию, действующему перпендикулярно к перемещению ленты, так как в этом случае сила их воздействия на растения будет направлена вдоль оси стеблей и при недостаточном сцеплении последних между собой лента все равно может смещаться относительно ручья.

Число пальцев на транспортирующем ремне можно определить из неравенства Р’ Ь

МР" > . р (И)

^,

где N — число пальцев на ремне; Рп — сила, действующая на ленту со стороны одного пальца; Р'тах

— максимальная сила, воздействующая на ленту льна при расстиле, направленная перпендикулярно к траектории движения (определяется из формулы (12) или графиков на рис. 4У, Ь — длина транспортирующего ремня; 5 — длинна поворотного участка рас-стилочного стола, которая находится как $^Кас1ГЖ,

Отсюда Р '

N >

P.R

(14)

где а

угол поворота ленты.

Таким образом, мы проанализировали процесс перемещения стеблей новым расстилочным устройством и вывели формулу (14) для расчета необходимого числа пальцев, устанавливаемых на боковой кромке ремня.

Литература

1. Черников В.Г. Машины для уборки льна (конструкция, теория и расчет). — М.: ИНФРА-М, 1999. — 210 с.

2. Патент 2221361 РФ. Устройство для перемещения ленты растений // Смирнов H.A., Зинцов A. H., Соколов В.Н. Опубл. 27.08.2003, Бюл. № 24.

3. Ковалев М.М., Козлов В.П. Плющильные аппараты льноуборочных машин (конструкция, теория и расчет): Монография. — Тверское областное книжно-журнальное издательство, 2002. — 208 с.

4. Беркович И.И., Крюков М.В., Родионов Л.В., Морозова Ю.И. Контактирование и трение стеблей льна в льноуборочных машинах/ Механика и физика фрикционного контакта: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 10/Под ред. Н.Б. Демкина. Тверь: ТГТУ, 2003. 104 с.

5. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Книга 1. М.: Машиностроение, 1978. - 400 с.

6. Ростовцев P.A. Расчет коэффициентов трения при взаимодействии стеблей льна-долгунца с различными материалами // Механика и физика фрикционного контакта и граничных слоев: Меж-вуз. сб. науч. тр./ Под ред. Н.Б. Демкина. Тверь: ТГТУ, 2004. — С. 35 — 40.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОЧЕСА СТЕБЛЕЙ БАРАБАНОМ С ПОСТУПАТЕЛЬНО-КРУГОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ ГРЕБНЕЙ

М. М. КОВАЛЁВ, кандидат технических наук ______

A.B. ГАЛКИН, инженер ---------

ВНИПТИМЛ ~

В машинах для комбайновой и раздельной уборки льна-долгунца применяются однобарабанные очесывающие аппараты с поступательно-круговым движением гребней [1]. При снабжении последних лопастями барабаны могут выполнять и функции транспортирования льновороха. Поэтому такие аппараты получили название очесывающе-транспортирующих [2]. Их исследованиям посвящены многие работы [1...6]. Однако ряд вопросов остается невыясненным. Например, не достаточно полно проведен анализ процесса очеса семенных коробочек со стеблей. Более глубокое его изучение позволит усовершенствовать конструкцию и существенно улучшить эксплуатационно-технологические показатели очесывающего барабана.

Зубья гребней барабана совершают поступательнокруговое движение. Скорость УА точки А зуба в его положении А А (рис. 1, а) равна по величине сог^ где со — угловая скорость барабана; гб — его радиус. Она направлена перпендикулярно радиусу О^ в сторону вращения барабана. Составляющие УА - скорость очеса, направленная по стеблям У0, и скорость пронизывания стеблей, направленная вдоль линии зуба У1Г Угол между УА и Уп равен а0— у. Из треугольника, образованного векторами скоростей УА и Уи и пунктирной линией, соединяющей их вершины равной вектору К0можно определить значения Уд и У/г В этом треугольнике угол между указанной пунктирной линией и вектором скорости УА равен 90°- ад, а угол между этой линией и вектором скорости Уи будет 90°+у.

Применив теорему синусов, получим [5]:

Рис. 1. Схемы к исследованию процесса очеса стеблей однобарабанным очесывающе-транспортирующим аппаратом с поступательно круговым движением гребней: а — вид сбоку; б — вид сверху. 1 — гребень; 2—диски барабана; 3,4—лопасти; 5 — поддон камеры очеса; 6 — зажимной транспортер

Ур _ Уа Уп

уш(«г0 - у) 5;п(90° + у) 5ш(90° -а0)'