ПРОБЛЕМЫ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
УДК 631.53.02
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕИСТВИЯ ЗЕРНОВКИ С ЛОПАТКОЙ РОТОРА
© 2004 г. Н.И. Шабанов, А.Ф. Бутенко
Рабочие органы метательных машин в с/х производстве получили широкое применение. Они предназначены для сообщения скорости частицам зерна или удобрений. Взаимодействием частиц с лопатками центробежных аппаратов занимались многие учёные, но при этом не определялась величина ударной силы.
В результате экспериментальных исследований рабочего органа зернометателя с ускоряющей крыльчаткой [1] выявлено, что в момент встречи зерна с лопаткой происходит удар. При ударе частицы о лопатку характеристикой степени взаимодействия является мгновенная сила. Предположим, что при взаимодействии с лопаткой зерновка не разрушается, а претерпевает некоторые структурные изменения в пределах упругой деформации. Чем больше мера воздействия нагрузки на зерно, тем больше зерно повреждается. Исходя из этого, мгновенную силу при ударе можно рассчитать по гипотезе, предложенной Герцем [2], который рассматривает процесс удара тел в пределах упругой деформации. При рассмотрении теории Герца И.Я. Штаерман [3] получил решение контактной задачи для нескольких случаев взаимодействия двух тел. Для случая взаимодействия тел в точке мгновенная сила в момент удара будет равна:
Р = к а2
(1)
где а - сближение тел в точке контакта (упругая деформация зерновки); к - коэффициент, зависящий от кривизны поверхностей тел в точке контакта и от свойств материала [3].
к=
2
Ех E2
3 Ej(1 -^2) + Е2(1 -^2)H2 Xг
11
(2)
где Е\, Е2, ц2 - модули Юнга и коэффициенты Пуассона зерна и материала лопатки; X г - сумма главных кривизн в точке контакта.
При определении кривизны зерновки [3] принимаем допущение что, форма зерновки представляет эллипсоид вращения с полуосями а и с и шириной Ь.
1111
X г = — + — + — + —
Г11 г12 г21 г22
(3)
Рис. 1. Схема взаимодействия лопатки с зерном идеальной формы
При контакте лопатки и зерна поверхность лопатки не деформируется, т.е. кривизна поверхности лопатки будет равна нулю, а приведённая кривизна зерновки выразится через радиусы кривизны:
b 2
12
(4)
и тогда с учётом формул (3) и (4) выражение (2) принимает вид
к=
2 Е1
i
3 (1V)
Еп
V
Е + Е 2
1
2 й 2 + с 2
(5)
Анализ выражения (5) применительно к нашим условиям показывает, что модуль Юнга для стали (Ест = Е2 = 2-105 МПа) значительно больше, чем для зерна (Езер = Е1 = 10-20 МПа), поэтому выражение в
' Е,/
скобках
Е1 + Е2
можно не учитывать, так как по
величине оно близко к 1. Также известно, что коэффициент Пуассона для стали, составляет д2 = 0,25-0,33, а для зерна д = 0,3-0,4. Поэтому принимаем и для зерна и для стали д = д = д2 = 0,3.
к=
2 Е1
(
3 (1V)
1 с
2 а 2 + с 2
1
^ 2
(6)
Из выражения (6) видно, что величина к прямо пропорциональна модулю Юнга зерна и зависит от размеров зерна. Для выявления закономерности данной зависимости построены графики (рис. 2). В результате выявлено, что с увеличением модуля Юнга зерна и его размеров коэффициент к возрастает.
2
a
c
2
1
са
3
к, Н
10 8 6 4 2
крупн. зерно (>3,0 мм) средн. зерно (2,6-3,0 мм) мелкое зерно (<2,2 мм)
10
14
18
22
26 E, МПа
Рис. 2. Зависимость коэффициента к от модуля Юнга Е для фракций единичных зёрен
В момент удара упругая деформация частицы равна [3]:
а =
5 ш¥н 4
к
где Ун- относительная скорость соударяющихся тел (далее Ун = Уп1); т - приведённая масса ударяющихся тел.
т1 т2 ( т2 \ т = —1—— = т1 -2— , (7)
т1 + т2 ^ т1 + т2 ^
где т1 и т2 - массы соответственно зерна и лопатки.
Имея в виду то, что масса лопатки во много раз превышает массу частицы, в выражении (7) множитель в скобках приближённо равен 1. Исходя из этого принимаем, что приведённая масса равна массе частицы зерна ( т = т1 ).
С учётом всех преобразований формула (1) принимает вид
Р = к
5 шх¥2
4к
(8)
Из формулы (8) видно, что мгновенная сила при ударе зависит от величины коэффициента к и относительной скорости (Ун) в начальный момент удара.
Воспользуемся теоремой об изменении количества движения материальной точки для определения относительной скорости тел до и после удара [4]:
тУ2 - тУ 1 Р(^),
1=1
где У1, У2 - относительная скорость частицы до и поп _
сле удара; ^ Р(ЕК) - векторная сумма импульсов
г=1
мгновенных сил.
В данном случае единственной мгновенной силой Р является реакция поверхности лопатки Ы, которую мы определили по формуле Герца (8), т.е. N = Р. Рассмотрим процесс взаимодействия частицы с лопаткой
для определения направления и величин скоростей зерновки с лопаткой до и после удара.
По схеме (рис. 3) взаимодействия зерна с лопаткой видно, что возникает косой удар, т.е. скорости соударяемых тел не лежат на одной прямой, а направлены по отношению друг другу под углом. Значения составляющих ударного импульса возникающего по нормали и по касательной к поверхности определяются:
тУ2п - тУ" = ; тУ2Т - тУ1т = .
О
а б
Рис. 3. Схема относительных скоростей частицы до и после удара с радиальной лопаткой: а - до удара; б - после удара
Процесс удара зерновки о лопатку по нормали п-п можно разделить на две фазы [5]. В течение первой фазы зерновка сжимается, пока её скорость не станет равной нулю; в течение второй фазы её форма восстанавливается (за счёт упругости). В момент, когда частица отделится от поверхности лопатки, явление удара заканчивается.
В начале второго этапа центр тяжести зерна приобретает скорость У2. Уравнения мгновенных импульсов нормальной составляющей для фаз удара:
mVn - mVn1 = S1 ; mVn2 - mVn = S2 •
(9)
Считая отношение 82/Б1 коэффициентом восстановления с учётом (9), получаем [5]:
V - V
r2n у n
Vn - Vn1
= s •
(10)
Вводя предположение, что скорость Уп = 0 (скорость в конце первой и начале второй фаз удара), из уравнения (10) получим зависимость, связывающую нормальные составляющие относительной скорости частицы до и после удара:
Vn2 = S Vn1 •
(11)
Согласно гипотезе сухого трения (Ньютона), тангенциальная составляющая ударного импульса пропорциональна его нормальной составляющей [6]:
Ут2 = Ут1 ± /(1 - *) Уп1-
где / - коэффициент сухого трения.
мм
Знак «+» или «-» противоположен знаку величины Ут1, так как ударное взаимодействие приводит к уменьшению относительной скорости движения.
По схеме (рис. 3а) видно, что до удара частица двигалась со скоростью У0. В момент встречи зерновки с лопаткой вектор скорости У0 по отношению к нормали лопатки расположен под углом а. Лопатка движется с линейной скоростью шЯ, где Я - радиус встречи зерновки с лопаткой. В дальнейшем скорость частицы будем рассматривать относительно лопатки (как подвижной преграды) и тогда относительная скорость зерновки до удара с учётом того, что преграда является подвижной, будет равна:
Vn1 = Vn0 + юЯ = V0 cos а + юЯ
Vn1 = V0 cos(a - во) + mR cos в о;
Vt1 = mR sin в0 - V0 sin(a -в0). (15)
После удара составляющие относительной скорости частицы составят:
Vn2 = V = s(Vo cos(a - в о) + mR cos во);
Vt2 = mR sin в0 - V0 sin(a -в0) +
+ f (V0 cos(a - в0) + mR cos в0)(1 - s). (16)
Для определения влияния угла наклона лопатки и её частоты вращения на величину Vn1 по зависимости (15) построены графики (рис. 5).
VT1 = Vt0 = V0 Sin а •
(13)
Составляющие относительной скорости зерновки до и после удара с учётом выражений (11), (12) и (13) соответственно после удара составят:
Vn2 = s(V0 cos а + юЯ );
Т2 - Vti - f(Vn2 - Vn1) = Vo sin а + f(Vo cos а + юЯ)(1 - *).(14)
Выражения (14) справедливы для радиально установленных лопаток. Рассмотрим вариант установки лопаток под углом в0 к начальному радиусу назад по ходу вращения (рис. 4), так как в данном случае при сходе зерна с лопаток наблюдается уменьшение угла сектора рассева по сравнению с лопатками, установленными вперёд [7], что существенно влияет на показатели работы аппарата [1].
О
ßo
а б
Рис. 4. Схема относительных скоростей частицы зерновки до и после удара с наклонной лопаткой: а - до удара; б - после удара
При взаимодействии частицы зерновки с наклонной лопаткой линия действия нормальной реакции лопатки не совпадает с направлением абсолютной скорости лопатки юЯ, что приводит к уменьшению нормальной составляющей относительной скорости частицы с лопаткой при ударе и соответственно снижению ударной силы на частицу.
Запишем составляющие относительной скорости частицы до удара:
0 10 20 30 40 50 ß0, град а
20 (200)
25 (250)
30 (300)
35
(350)
40 ю, с (400) n, об/мин
б
Рис. 5. Зависимость нормальной составляющей относительной скорости частицы в начальный момент удара: а - от угла постановки лопатки к начальному радиусу; б - от угловой скорости лопатки
В результате полученной зависимости (рис. 5а) видно, что чем больше угол постановки лопатки к радиусу, тем меньше нормальная составляющая относительной скорости до удара ¥п1, а экстремум на графике обусловлен подачей частицы под углом а к нормали лопатки (конструктивно принят 30 °). Из следующего графика зависимости скорости Уп1 от угловой скорости вытекает (рис. 5 б), что чем больше угловая скорость ускоряющей крыльчатки, тем больше относительная скорость в начальный момент удара.
Для определения закономерности зависимости величины мгновенной силы от коэффициента к и относительной скорости частицы Уп1 с лопаткой до удара (в начальный момент удара) были построены графики (рис. 6).
Р,Н '_ф_К=Зм/с _и_к=3,5м/с___
0,2 ______,__,,__,__
2 4 6 8 10 12 к, Н/ м^2
а
Р, Н 0,55
0,45
0,35
0,25
0,15
2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 Уп1, м/с б
Рис. 6. График зависимости мгновенной силы удара Р от: а - коэффициента к, б - нормальной составляющей Уп1
В результате полученных зависимостей (рис. 6а) видно, что с увеличением коэффициента к с 3 до 16 единиц величина мгновенной силы увеличивается в 3 раза. При увеличении нормальной составляющей относительной скорости частицы с лопаткой в начальный момент удара (до удара) с 2,5 до 4,5 м/с, мгновенная сила удара возрастает примерно в 3 раза.
В результате проведенных теоретических исследований взаимодействия частицы с лопаткой можно сделать вывод, что величина мгновенной силы в момент удара зависит от величины нормальной составляющей относительной скорости частицы с лопаткой в начальный момент удара и от физико-механических свойств зерна (модуля Юнга). Таким образом, с увеличением влажности зерна (модуль Юнга снижается) мгновенная сила при ударе уменьшается, а с увеличением частоты вращения наоборот. Для того чтобы снизить величину мгновенной силы в два раза при постоянной угловой скорости, необходимо лопатки крыльчатки установить на угол в противоположную сторону вращения с 20 до 50
Литература
1. Шабанов Н.И., Бутенко А.Ф. Параметры ускоряющей крыльчатки экспериментального рабочего органа зерно-метателя // Материалы ХЬШ научн.-техн. конф. Челябинск, 2004. Ч. 2. С. 196-200.
2. Кильчевский Н.А. Теория соударения твёрдых тел. Киев,
1969.
3. Пономарёв С.Д. и др. Расчёты на прочность в машиностроении / С.Д. Пономарёв, В.Л. Бидерман, К.К. Лихачёв, В.М. Макушин, Н.Н. Малинин, В.И. Феодосьев. М., 1959. Ч. 2.-3.
4. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретиче-
ской механики М., 1985. Т. 2.
5. Воронков И.М. Курс теоретической механики. М., 1965.
6. Кобринский А.Е., Кобринский А.А. Виброударные системы. М., 1973.
7. Догановский М.Г., Рядных В.В. К определению парамет-
ров роторных разбрасывающих механизмов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1965. № 4. С. 8-11.
28 мая 2004 г.
Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия
-*-V- 3 м/с -и-V - 3,5 м/с - 4 м/с _b_V - 4,5 м/с
УДК 631.331.54:631.531.2
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПУНКТИРНОГО ПОСЕВА
© 2004 г. П.Я. Лобачевский
Современные пунктирные сеялки не обеспечивают высев семян с постоянным шагом.
При посеве пропашных культур шаг посева значительно превышает размеры семян.
Представим размещение семян в рядке пунктирного посева в виде неравномерно распределённых точек
Расчленим рядок посева на равные участки единичной длины, например односантиметровые:
I • I • I I • I I • I • I • I I • I • I I • I
Картину размещения семян можно представить также в виде неравномерно распределённых единиц и нулей на односантиметровых участках:
I 1 I 1 I 0 I 1 I 0 I 1 I 1 I 1 I 0 I 1 I 1 I 0 I 1 I