CC BY
64
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.361.2:633.174
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИНЕРЦИОННО-ОЧЕСНОГО МОЛОТИЛЬНО-СЕПАРИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Н.Г. Кузнецов, доктор технических наук, профессор А.И. Ряднов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Р.В. Шарипов, кандидат технических наук, доцент
Волгоградский государственный аграрный университет
Показаны концептуальные предпосылки создания математической модели инерционно-очесного способа обмолота зерновых колосовых и метелочных культур на корню молотильно-сепарирующим устройством, оборудованным щелевыми битерами с транспортирующими пластинами.
Ключевые слова: инерционно-очесный способ обмолота, уборка на корню, зерновые колосовые и метёлочные культуры, молотильно-сепарирующее устройство, комбайн.
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ по проекту «Разработка и исследование инерционно-очесного способа обмолота зерновых колосовых и метелочных культур на корню и технологии для его реализации», договор № НК 13-08-01085\13
Анализ молотильно-сепарирующих устройств (МСУ), выполненный Скворцовым А.К. в работе [4] показал, что в современных МСУ, базирующихся на перетирании обрабатываемой соломозерновой массы в сужающемся зазоре пары «барабан-дека», подведённая механическая энергия используется не только на разрушение связей зерновок со стеблем, но и на разрушение самого колоса (метелки) и оставшихся листьев, а также частично и стебля растения. К работе обмолота зерновых колосовых и метелочных культур отнесены практически все названные энергетические затраты.
Не останавливаясь сейчас на мощностных характеристиках привода и системы удаления продуктов обмолота, которые зависят от процессов, связанных с основным назначением молотильного устройства, но полностью не могут быть устранены, рассмотрим составляющие элементарные операции, обеспечивающие отделение зерна.
Затраты на выполнение этих операций можно оценить, используя формулу М.А. Пустыгина [1]:
N = N0 + Кт + Ктр , (1)
где N - мощность, расходуемая на холостой ход (трение в подшипниках и вентиляторный эффект); - мощность, расходуемая на собственно обмолот в том понятии, которое ему предписывается барабанно-дековыми устройствами; Мф - мощность, расходуемая на удаление продуктов обмолота из молотильного зазора.
В формуле (1) составляющая ^т складывается из затрат на выполнение не только основной операции (отделение зерновок от растения), но и сопутствующих ей:
Кт = Мг+Ыиз+^+^+^д, (2)
где N. - мощность, расходуемая на преодоление сил трения в молотильном зазоре; - мощность привода для преодоления сил трения при изгибе стеблей; N3 и N0 - соответственно на разрушение колосьев и стеблей; ^д - на удар и сообщение кинетической энергии.
Представление о распределении энергии по различным составляющим операциям можно составить из данных таблицы, полученной в результате обработки материалов по различным МСУ.
Таблица - Распределение затрат мощности по компонентам сопротивления в МСУ
Наименование затрат мощности в МСУ Доля компонента, %
На преодоление вредных сопротивлений (сопротивление холостого хода), N0 23
На преодоление сопротивления трения сжатого материала в молотильном зазоре, № 30
На преодоление сопротивления трения от изгиба стеблей N^5 15
На преодоление сопротивления разрушения колосьев, N5 18
На преодоление сопротивления разрушения стеблей (разрыв), № 7
Затраты мощности на удар и сообщение скорости материалу, ^д 7
Всего 100
Анализ данных таблицы свидетельствует о значительной доле затрат мощности на сопротивление при обмолоте в барабанно-дековых молотильно-сепарирующих устройствах на выполнение побочных операций, не связанных непосредственно с отделением и выделением зерна из соломозернового вороха.
Непосредственный вымолот зерна в их затратах мощности использует всего около 30 % затрачиваемой энергии на обеспечение работы МСУ. И это в предположении независимости уровня сопротивления холостого хода, то есть затрат энергии на обеспечение работы самого механизма, от технологии отделения зерна от стебля. Исключение этих побочных операций (четырех из используемых шести) свидетельствует о возможности снижения уровня затрат на обеспечение работоспособности самого механизма МСУ, по крайней мере, в пять раз. Совершенствование технологических схем обмолота путем расширения молотильного зазора осуществлялось их авторами путем использования многорядных вальцовых пар с целью создания колебаний в нём с радиусами изгиба, значительно меньшими критических, при которых происходит излом стеблей. Такая технология способствовала раскрытию колосьев и снижению суммарного усилия отделения зерна от растения и приводила к снижению энергетических затрат в целом на вымолот.
Анализ экспериментальных данных исследования таких МСУ позволил создать конструктивную схему так называемого инерционно-очесного молотильного устройства с однорядными вальцами [5], рис. 1.
Рисунок 1 - МСУ инерционно-очесного типа:
1- вал; 2 - лопасть; 3 - очесывающая кромка; 4 - выступ;
5 - описанная окружность; 6 - щель; 7 - транспортирующая пластина
Особенность устройства предложенного МСУ заключается в использовании фигурных лопастных щелевых битеров с транспортирующими пластинами.
В МСУ инерционно-очесного типа, разработанных ранее, за период прохода лопасти по молотильному зазору впадина или канавка лопасти могла загрузиться один раз, затем по выходу из молотильного зазора она разгружалась центробежной силой. Это не что иное, как сепарирование - транспортировка зерна из зоны обмолота.
Для упрощения толкования процесса мы вводим допущение, что выгрузка канавки в молотильном зазоре не происходит. В нашем МСУ зерна после отделения проходят по щели потоком, одно за другим. Цикличности в загрузке и выгрузке углубления нет, загрузка и выгрузка происходят одновременно.
Согласно рис. 2, зёрна в своём движении сквозь щель могут располагаться цепочкой, длина которой в зоне обмолота равна 15.. .40 зернам.
Рисунок 2 - Схема обмолота инерционно-очесным МСУ типа «щелевые битеры»
При обмолоте растений на корню их подача в МСУ осуществляется вершиной вперед под углом к плоскости осей вальцов.
Рассмотрим принцип работы МСУ на примере обмолота сорго веничного. Приёмные вальцы подают метелки растений вершиной вперёд в молотильный зазор. Лопасти, за счёт трения метелки об их поверхность, затягивают метёлку в молотильный зазор, причем метёлка располагается в плоскости вращения вальцов. Молотильный зазор колеблется, периодически перемещается от одного вальца к другому. Амплитуда колебаний равна величине молотильного зазора.
Лопасти вальцов поочередно проглаживают метёлку от основания к вершине. Лопасти передают метёлку от одного вальца к другому с помощью выступа.
При движении метёлки в колебаниях от одного вальца к другому, выступ лопасти является центром, вокруг которого вращается масса зерновки на гибкой упругой связи. Центр вращения подвижен и перемещается к вращающейся массе, то есть масса зерновки вращается на уменьшающемся радиусе. Это явление названо захлестыванием. В результате такого захлестывания зерновка прижата к лопасти, она скользит по лопасти, западает в углубление и затем - в щель. Обмолачивающая кромка обламывает плодоножку. Зерновка по инерции проходит сквозь щель в относительном с вальцом движении и выбрасывается за пределы зоны обмолота транспортирующей пластиной. Обмолоченная часть метелки обладает очень малой массой, по сравнению с зерновкой, она колеблется вместе с молотильным зазором. Захлёстывания в этом случае не происходит и обмолоченная часть метёлки не воспринимает энергии двигателя.
Обмолот инерционно-очесным воздействием предусматривает сохранение стеблей, листьев, всех ветвей метелки, зерна, кроме плодоножки.
Процесс разрушения связи между зерном и элементами метелки (колоса) состоит из двух фаз: западание зерновки в канавку и непосредственное разрушение связи между зерновкой и метелкой (колосом).
За начало первой фазы можно условно принять тот момент, когда зерновка достигает кромки канавки и её расстояние от центра вращения равно текущему радиусу лопасти.
На зерновку действуют следующие силы: сила тяжести; реакция Ы, направленная перпендикулярно лопасти в данной точке; сила трения, направленная по касательной к лопасти в данной точке; центробежная сила, направленная по радиусу р; сила инерции Кориолиса, направленная в сторону противоположную Ы; центробежная сила, вызванная тем, что зерновка перемещается по криволинейной поверхности лопасти.
Если принять за начало подвижных координат точку касания зерновки с лопастью, а ось х разместить по касательной к лопасти, то при условии равенства нулю сумме проекций указанных сил на выбранные оси координат зерновка будет находиться в относительном покое.
Во второй фазе (отрыв зерновки от плодоножки) на зерновку действуют силы: сила тяжести; сила трения зерновки и плодоножки о лопасть; центробежные силы; реакция лопасти на зерновку и реакция натяжения плодоножки Тс от действия вышеназванных сил.
Под воздействием силы Тс плодоножка растягивается и прижимается к лопасти, отчего в месте контакта появляется местное сжатие в направлении, перпендикулярном стеблю плодоножки. Если возникающее напряжение смятия больше допустимого напряжения, то плодоножка разрушается в этом месте. Единый стебель разделяется на отдельные волокна, происходит смятие в точке контакта. В результате в том месте плодоножки резко снижается значение критического напряжения на разрыв, и плодоножка разрушается.
Принцип действия инерционно-очесного молотильного устройства основан на создании условий формирующих предпосылки только для разрушения плодоножки зерновки. Распределение сил сопротивления этому разрушению подчиняется природному закону - закону нормального распределения (рис. 3) уже потому, что созревание зерновок в метелках, как и в колесе, происходит неравномерно, особенно при достаточно высокой влажности.
Н ~ $3 таз*
Рисунок 3 - Вероятность отрыва зерна от плодоножки Р^) при текущем усилии Ъ
Тогда возможность полного вымолота зернового материала будет определяться интенсивностью ударных явлений в МСУ. Чем выше усилие отрыва зерновок Я3, тем
интенсивнее должно быть соударение вымолачиваемого материала о лопасть. Повышение интенсивности соударения зернового материала может вызвать повреждение самой зерновки, понижение качества продукции и его репродуктивных свойств.
Инерционно-ударный вымолот можно ограничить средним усилием отрыва зерновок Я3 ср , а может быть, ещё меньшим его значением Я3. При этом вымолачиваться ударным способом будет наиболее созревшая часть (количественно она оценивается площадью под кривой распределения). Этим способом снижается возможность разрушения зерновок. Остаточная часть невымолоченного зерна должна отделяться от стебля за счёт инерционно-очесного действия лопастей битера.
Надо заметить, что в приведённой схеме МСУ вымолот зерна может осуществляться не только за счёт удара (инерционного принципа) и инерционно-очесного принципа, создающегося формированием второй опоры плодоножки инерционными силами, обеспечивающей возможность отрыва плодоножки от стебля тянущим действием битера, но и силами трения лопасти о растение. Хотя последние усилия меньше, чем сила соударения, сила трения тоже содействует снижению необходимого усилия отрыва хотя бы за счет раскрытия зерновок. В обоих случаях вымолачивающие действия, описанные здесь, осуществляются за счет боковых сил для плодоножки. По результатам исследований физикомеханических свойств веничного сорго установлено, что для разрушения плодоножки требуется боковое усилие, составляющее примерно 60 % прямого усилия. Это ещё одна положительная особенность обмолота зерна МСУ инерционно-очесного типа.
Таким образом, изложенная выше концептуальная физическая модель инерционно-очесного МСУ, базирующаяся на создании условий для щадящего рабочего процесса обмолота зерновых колосовых и метелочных культур, предполагала при её осуществлении получения значительного технико-экономического эффекта. Макетные образцы инерционно-очесных МСУ разных модификаций, созданные в лабораторных условиях Волгоградского ГАУ, подтвердили эти надежды при обмолоте сорго, риса, пшеницы, сои и нута в лабораторных условиях на стационарных МСУ, а на обмолоте сорго - в полевых условиях макетным комбайном [2] с оптимизированными кинематическими и геометрическими параметрами, представленными в работе [3].
По результатам этих испытаний установлены следующие достоинства инерци-онно-очесных МСУ, по сравнению с барабанно-дековыми:
- способность обмолачивать культуры в большом диапазоне влажности: до 25.. .30 % - зерновой массы и 60-70 % - листостебельной массы;
- лучшая сохранность зерна и незерновой части растений;
- выше степень чистоты зернового вороха (сорных включений не более 1,5. 2,0 %);
- энергоёмкость технологического процесса ниже в 30.35 раз.
В связи с этим, использование инерционно-очесных МСУ на современных комбайнах позволяет:
1. Снизить мощность двигателя в 2,5 раза, массу комбайна в 3,5 раза, уменьшить расход топлива более, чем в 2 раза.
2. Растянуть сроки уборки зерновых колосовых и метелочных культур, не изменяя репродуктивности семенного зерна.
3. Убирать за один проход комбайна весь биологический урожай со сбором зерна и незерновой части в разные емкости при высоком качестве семян и листостебельной массы.
4. Внедрять в производство высокопродуктивные сорта с более длительным периодом вегетации.
5. Существенно снизить материалоёмкость и энергоёмкость комбайна.
Библиографический список
1. Пустыгин, М.А. Теория и технологический расчет молотильных устройств [Текст] / М.А. Пустыгин - М.: ОГИЗ - Сельхозгиз, 1948. - 186 с.
2. Ряднов, А.И. Универсальный агрегат для уборки сорго [Текст] / А.И. Ряднов,
Р.В. Шарипов, А.В. Семченко // Сельский механизатор. - 2010. - № 4. - С. 6.
3. Ряднов, А.И. Оптимизация конструктивно-технологических показателей молотиль-но-сепарирующего устройства инерционно-очесного типа / А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов, О.А. Федорова // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского ГАУ (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - №06(090). -IDA [article ID]: 0901306032. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/06/pdf/32.pdf.
4. Скворцов, А.К. Разработка ресурсосберегающих технологий и средств механизации уборки зерновых культур на основе использования инерционно-очесных молотильных аппаратов [Текст] : автореф. дисс. ... д-ра с.-х. наук / А. К. Скворцов. - Волгоград, 2005. - 40 с.
5. Щелевой битер с транспортирующей пластиной [Текст] : пат. 2199203 РФ A01D 41/08. / Ряднов А.И., Скворцов А.К., Шарипов Р.В., Иленева С.В.,; заявитель и патентообладатель - ФГОУ ВПО Волгоградская ГСхА - №2000128584; заявл. 15.11.2000; опубл. 27.02.03, Бюл.№6.
E-mail: [email protected]
