CC BY
192
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.361.2:633.174
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОЛОТИЛЬНО-СЕПАРИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ИНЕРЦИОННО-ОЧЕСНОГО ТИПА
Н.Г. Кузнецов, доктор технических наук, профессор Р.В. Шарипов, кандидат технических наук, доцент О.А. Федорова, кандидат технических наук, доцент
Волгоградский государственный аграрный университет
Рассмотрены этапы создания молотильно-сепарирующих устройств инерционно-очесного способа обмолота и принцип обмолота зерновых колосовых и метелочных культур на корню молотильными устройствами, разработанными в Волгоградском ГАУ, определены их основные геометрические, кинематические и мощностные параметры.
Ключевые слова: инерционно-очесный способ обмолота, уборка на корню, зерновые колосовые и метелочные культуры, молотильно-сепарирующее устройство, комбайн, прямоточная выносная молотильная камера.
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\14
Сотрудниками Волгоградского ГАУ создано несколько вариантов рабочих органов [1, 7, 13] молотильно-сепарирующего устройства (МСУ) инерционно-очесного типа. Такое МСУ осуществляет высококачественный обмолот метелочных и зерновых колосовых культур, в частности, минимально травмирует зерно в широком диапазоне его влажности, сохраняет стебель и метелки сорго [9, 2, 12].
Как показали экспериментальные исследования, лучшим по качеству обмолота метелочных культур, в том числе и веничного сорго, является «щелевой битер с транспортирующей пластиной» [13] (рис. 1).
Рисунок 1 - Схема МСУ инерционно-очесного типа «щелевой битер с транспортирующей пластиной»: 1 - вал; 2 - лопасть; 3 - очесывающая кромка; 4 - выступ; 5 - описанная окружность; 6 - щель; 7 - транспортирующая пластина
МСУ в стационарных и мобильных модификациях было изготовлено группой сотрудников под руководством профессоров Скворцова А.К. и Ряднова А.И. [13, 4 ,6, 5]. Были обоснованы его конструктивные параметры с целью повышения качества обмолота, снижения энергетических затрат и повышения производительности МСУ [10, 11, 3, 8].
Созданное энергоэффективное средство обмолота риса, также применимо для обмолота сорго, нута и пшеницы.
Принимая во внимание, что при равномерно распределенной зерновой части по поверхности лопасти в связи с распластыванием метелки, проходящей зону обмолота, можно считать распределение зернового продукта в слое равномерным. Поступление отдельных зерен в канавку тоже последовательное.
Отделенные зерновки не должны накапливаться в канавке и прерывать процесс отрыва следующих зерновок. Для этого канавка выполняется без дна, таким образом, создается щелевой битер [13], способный обеспечить не только загрузку канавки зерновками, но и выгрузку их из нее прямым движением зерна через щель (рис. 1). Из зоны обмолота зерна удаляются специальной транспортирующей пластиной.
При движении метелки в колебаниях от одного вальца к другому (рис. 1), 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.
Технологический процесс отделения зерновок обеспечивает глубина канавки, которая должна быть равной длине зерновки. Для тех культур, которые исследовались при таком обмолоте - сорго, рис и пшеница, необходимо канавку профилировать по наибольшим габаритам зерновки обмолачиваемой культуры.
Установлено, что исследуемое устройство относится к щадящим МСУ, исключает ненужные сопутствующие операции, такие как перетирание метелок (колосьев) и стеблей. К тому же это позволяет обмолачивать технические культуры при высокой влажности листостебельной массы, использовать зеленую листостебельную массу как для скармливания животным непосредственно после уборки, так и для силосования.
Окружная скорость бичей барабана в традиционных МСУ достигает 32...35 м/с, что превышает критические скорости, вызывающие дробление и травмирование зерна. Это отрицательно влияет на сохранность зерна и репродуктивные свойства семян. Критические скорости составляют для зерна пшеницы - 26.28, проса - 25, риса - 16 м/с [1].
В новом МСУ расчетные линейные скорости очесывающих кромок битеров не превышают 10 м/с.
Экспериментальными исследованиями установлено:
- максимальный диаметр собранной в пучок метелки названных выше культур составляет 50.70 мм. Распластываясь на рабочем органе МСУ, метелка увеличивает свои продольные размеры в 5 раз (т.е. до 350 мм) при средней толщине 10 мм (8.15 мм);
- лопастями битеров МСУ поочередно проглаживаются рабочими (при определенном отношении угловой скорости лопастей и продольной скорости подачи
обрабатываемого материала - (скорости агрегата) распластанные на рабочем органе метелки;
- длина наклонных битеров зависит от длины метелок £м для обеспечения надежного обмолачивания их;
- трехлопастные битеры при частоте вращения п = 1250 мин-1 обеспечивают качественный вымолот зерновок из метелки, а, следовательно, они генерируют частоту ее колебаний в зазоре, превышающую частоту собственных колебаний.
Частота колебаний метелки в молотильном зазоре МСУ рассматриваемого типа рассчитывается по формуле:
/ = nZ /60 , (1)
где / - частота колебаний метелки, Гц; п - частота вращения битеров, мин-1; Z - число лопастей на битерах.
Полученная по выражению (1) частота (62,5Гц) для исследованного МСУ обеспечивала качественный вымолот зерновок из метелки. Исходя из этого, был произведен расчет частот вращения битеров МСУ при изменении количества рабочих лопастей и сохранении рассчитанной частоты колебаний метелки в зазоре. Результаты расчета представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Влияние числа лопастей в МСУ на частоту вращения МСУ
Число лопастей, Ъ, шт. 1 2 3 4 5 6
Частота вращения п, мин-1 3750 1875 1250 937,5 750 625
Данные табл. 1 свидетельствуют о том, что повышение интенсивности действия МСУ может быть достигнуто либо за счет повышения частоты вращения битеров с малым числом лопастей (1 - 2), либо за счет увеличения числа лопастей (до 6). Такое заключение сделано только на основании изучения числа возможных воздействий на обмолачиваемую массу, без учета изменений других факторов.
Увеличение числа лопастей в МСУ в связи с необходимостью сохранения молотильного зазора ( 8 = 20 мм), как видно из таблицы 2, для всех вариантов МСУ по частоте вращения потребует увеличения расчетного диаметра битеров с ростом числа лопастей на них.
Таблица 2 - Зависимость диаметра битеров от числа лопастей
Число лопастей, Ъ, шт. 2 3 4 5 6
Диаметр битера, Бв, мм 51 100 174 260 370
Как уже упоминалось, предлагаемое МСУ может быть использовано для обмолота сорго, риса и пшеницы. Наименьшую величину междурядий при возделывании этих культур имеет пшеница - 15 см при рядовом посеве. Данный параметр может быть принят как определяющий при проектировании МСУ.
Таким образом, по последнему ограничению и должен быть выбран вариант компоновки МСУ по таблице 2. Следовательно, можем приемлемым считать только устройство с тремя лопастями.
По результатам многофакторного эксперимента и решения компромиссной задачи [8] определено, что для обмолота веничного сорго оптимальное число лопастей на вальце - 3 лопасти; диаметр вальцов - 135.. .140 мм; частота вращения битеров 1300-1360 мин-1. При этом обеспечивается сохранность метелки до 99 % и полнота вымолота зерна из метелки до 98,6 %.
Нами предложен вариант установки битеров со сдвигом их осей относительно друг друга до получения зазора нужного размера. Но он связан со стеснениями в размещении МСУ в междурядьях такой культуры, как пшеница и усложнением конструкции битера.
На рис. 2 представлено взаимное расположение битеров МСУ и обмолачиваемой метелки сорго при обмолоте на корню одномодульным комбайном.
-
НапраЬпение движения комбайна
L
Рисунок 2 - Взаимное расположение битеров МСУ и обмолачивающей метелки
Из рис. 2 видно, что для полного обмолота метелки длиной £м при заданной частоте вращения вальца n мин-1 необходим очес ее битерами со скоростью О r, где О - угловая скорость вальца, а r = de/2- расчетный радиус битера. Время этого очеса окажется равным
М = 1М / °Г . (2)
С другой стороны для полного обмолота метелки (от основания до вершины) агрегату необходимо переместиться на расстояние L (рис. 3). Из рис. 3 следует, что
L = 1м/sinа , (3)
где a - угол наклона осей вальцов к поверхности обрабатываемого поля, £м - длина метелки, м.
С учетом выражения (2) равенство (3) может быть представлено в виде
1м тт 1м
-=Уагр. ,
sin а ог
где Уагр. - скорость перемещения агрегата, м/с.
откуда следует, что расчетная скорость движения агрегата должна быть
Уар;сч = ог/Sin а . (4)
Для повышения полноты обмолота время этого взаимодействия должно быть увеличено с учетом продольного проскальзывания вальцов относительно метелки.
Зависимость (4) определяет граничную скорость, при которой еще возможно полное обмолачивание (теоретически) метелок. При скорости агрегата выше ^ОТр
будет наблюдаться протаскивание вальцов по метелке и недомолот.
Надежный обмолот может быть обеспечен увеличением продольного проскальзывания вальцов относительно метелки. Это можно осуществить
уменьшением действительной скорости подачи мсу (уагр < ^агр ). В частности, при
частоте вращения битеров, равной 1250 мин-1, в обмолоте участвует 1,5 расчетных
длины битера ( t1 = ^ = 0,048 с при времени очеса метелки одним битером Д t = 0,033
с) необходимая максимальная скорость подачи МСУ в этом случае при а = 30° составляет 9,22 м/с или 33,2 км/ч. Конечно, такая скорость для комбайна на самоходном шасси завышена.
Допустимой скоростью комбайна на шасси Т16 МГ по условиям вертикальных и угловых колебаний можно считать скорость, равную 2,5.2,78 м/с. Эти скорости примерно в 3,5 раза ниже максимально возможной. Следовательно, при движении агрегата с вальцами рассматриваемых размеров обеспечиваются условия для полного обмолота. В опытах заметных разрушений метелки не наблюдалось. При этом следует отметить, что вымолоченное зерно выводится из зоны обмолота мгновенно и, в связи с этим, минимально травмируется.
Экспериментальные работы по исследованию инерционно-очесных МСУ позволили оценить удельные энергетические затраты на вымолот зерна. По этим данным они составили q = 0,16.0,36 кВт/кг/с.
Приведенные количественные характеристики позволяют определить и необходимую мощность приводного двигателя, расходуемую на обмолачивание.
Обрабатываемая площадь в единицу времени агрегатом, имеющим ширину
захвата В (м) и скорость движения Уагр. (м/с), составит £ = ВУагр\0 4 .
При урожайности убираемой культуры и (кг/га) может быть получено выражение для количества продукции (зерна), обрабатываемой МСУ в единицу времени О (кг/с):
а = яи = ивуагр\о
-4
Используя оценки удельной энергоемкости q инерционно-очесного обмолота культур, полученные в работе [1], можно посчитать потребную мощность двигателя для выполнения обмолота
N = дС = диВУагр\0~4, кВт.
Учитывая вариабельность условий уборки, рекомендуется затраты мощности считать с коэффициентом запаса, равным 1,5.
Таким образом, исходя из условий уборки, рекомендуется: иметь сменные битеры длиной не менее 0,65 м, с наружным диаметром 140 мм, с тремя-четырьмя лопастями, щели соответствующей размеру зерновок обмолачиваемой культуры; частота вращения битеров должна быть в пределах 1250-1360 мин-1, скорость перемещения МСУ (комбайна) - 2,5.2,78 м/с.
Библиографический список
1. Битер молотильно-сепарирующего устройства с цилиндрическими выступами [Текст] : патент РФ №2306693 /Скворцов А.К., Кузнецов Н.Г. и др. опубл. 27.09.07, Бюл. №27.
2. Иленева, С.В. Совершенствование конструкции и обоснование параметров обмолачивающего устройства для мелкосеменных культур [Текст] : автореф. дис. к.т.н. / С.В. Иленева. - Волгоград, 2000. - 23 с.
3. Кузнецов, А.К. Концептуальная модель инерционно-очесного молотильно-сепарирующего устройства / А.К. Кузнецов, А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов [Текст] // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2013. - №4 (32). - С. 197-203.
4. Комбайн для уборки технических культур [Текст] : патент РФ №2421974, A01D 41/08. / Ряднов А.И., Шарипов Р.В., Семченко А.В.; заявитель и патентообладатель - ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА - №2010100341/21; заявл. 11.01.10; опубл. 27.06.11, Бюл.№18.
5. Комбайн для уборки сорго [Текст] : патент РФ №2498553, A01D 37/00. / Ряднов А.И., Шарипов Р.В., Семченко А.В.; патентообладатели: Ряднов А.И., Шарипов Р.В., Семченко А.В. - №2012103615/13; заявл. 10.06.12; опубл. 20.11.13, Бюл.№32.
6. Прицепной соргоуборочный комбайн [Текст] : патент РФ №2496296, A01D 41/04, A01D 41/12 . / Ряднов А.И., Шарипов Р.В., Семченко А.В.; патентообладатели: Ряднов А.И., Шарипов Р.В., Семченко А.В. - №2012109041/13; заявл. 11.03.12; опубл. 27.10.13, Бюл.№30.
7. Рабочий орган молотильно-сепарирующего устройства [Текст] : патент РФ №2023374 / Скворцов А.К.:, заявл. 14.05.90; опубл. 30.11.94, Бюл.№22.
8. Ряднов, А.И. Оптимизация конструктивно-технологических показателей молотильно-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.
9. 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.
10. Скворцов, А.К. Оптимизация конструкции инерционно-очесных МСУ [Текст] / А.К. Скворцов, Н.Г. Кузнецов //Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2004. - №1. -С. 36-38.
11. Универсальный агрегат для уборки сорго [Текст]/ А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов, А.В. Семченко, К.А. Матвеева// Сельский механизатор. - 2010. - №4. - С. 6.
12. Шарипов, Р.В. Совершенствование технологии и технических средств уборки веничного сорго [Текст]: автореф. дис. к.т.н. / Р.В. Шарипов. - Волгоград, 2004. - 18 с.
13. Щелевой битер с транспортирующей пластиной [Текст] : патент РФ №2199203, 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: mshaprov@bk.ru
