Теоретическое обоснование барабанного дражиратора с вращающимся дном Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 664.143.72

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БАРАБАННОГО ДРАЖИРАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ ДНОМ

О. Н. Кухарев, доктор техн. наук, профессор; Г. Е. Гришин, доктор с.-х. наук, профессор;

И. Н. Сёмов, канд. техн. наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (841-2) 62-85-17, e-mail: kucharev@bk.ru

Предложена конструкция дражиратора с вращающимся дном для семян сахарной свеклы и теоретически обоснован технологический процесс его работы. Выявлены особенности движения семени по дну дражиратора, подъема по стенке барабана дражиратора, движения до удара о рассекатель, установленный в барабане, отражения от него и падения на дно барабана. Получены выражения для определения скорости и времени движения в барабане дражиратора семени и капли клеящего раствора. Представлены некоторые результаты производственных исследований и дана экономическая оценка применения экспериментального дражиратора для семян сахарной свеклы.

Ключевые слова: сахарная свекла, дражирование семян, барабанный дражиратор.

Посев является наиболее важным процессом при возделывании сахарной свеклы. Почти 80 % посевов производятся дра-жированными семенами. К сожалению, большая часть этих семян импортируется [1, 2, 3].

Для дражирования семян отечественной селекции в Пензенской ГСХА совместно с ЗАО «ФМРус» (г. Москва) разработан и изготовлен опытный образец барабанного дражиратора с вращающимся дном (рис. 1) [4].

Работает аппарат для дражирования семян следующим образом. Рабочий орган 5, установленный в кожухе 4, получает вращение с угловой скоростью ы? от электродвигателя 14 через редуктор 13, а

спиндиск 12 с лопатками через электродвигатель 2 получает вращение ы2 в противоположную сторону. Исходные компоненты дражировочной массы и семена сельскохозяйственной культуры через трубопроводы 7, 8, 9 поступают в рабочий орган 5 в заданном количестве и последовательности. Затем начинается процесс дражирования, в результате которого семена, изменяя направление и скорость вращения под действием рабочего органа 5, обволакиваются защитной оболочкой и перемещаются к периферии, где, взаимодействуя с рассекателями 6, изменяют траекторию своего движения от периферии рабочего органа 5 к его центру (зоне дражирования). При

Рис. 1. Конструктивная схема барабанного дражиратора семян: 1 - рама; 2, 14 - электродвигатели; 3 - вентилятор; 4 - кожух; 5 - рабочий орган; 6 - рассекатель семян; 7, 8, 9 - отверстия для трубопроводов; 10 - крышка; 11 - выгрузное устройство; 12 - спиндиск; 13 - редуктор

Нива Поволжья № 1 (26) 2013 51

этом для увеличения равномерности нанесения оболочки на семена включается вентилятор 3. Для контроля процесса дражи-рования предназначен верхний люк 10. По окончании процесса дражирования выгрузка семян осуществляется через выгрузной люк 11.

В процессе работы барабанного дра-жиратора с вращающимся дном семена сахарной свеклы совершают следующие движения:

- движение по дну дражиратора под действием переносной силы инерции Фе,

силы трения качения Етр и Кориолисовой

силы инерции Фк;

- подъем по стенке барабана дражира-тора на некоторую высоту Л2 под действием переносной силы инерции Фе, силы тяжести С, силы трения качения Етр .

- движение до удара о рассекатель, установленный в барабане дражиратора, отражение от него и падение на дно барабана.

Затем семена обволакиваются клеящим раствором. До встречи с семенем капли клеящего раствора будут ударяться о спиндиск и разлетаться по барабану дра-жиратора.

Для упрощения расчетов рассмотрим движение единичного семени сахарной свеклы на всех этапах [5]. Поскольку семя сахарной свеклы имеет форму, близкую к шару, принимаем его за данную геометрическую фигуру массой т и радиусом г. Семя совершает плоское движение, состоящее из поступательного движения центра масс и вращательного движения этого центра. Во время одного цикла загрузки масса семян неизменна, при этом она будет изменяться после встречи с клеящим раствором.

Рис. 2. Схема сил, действующих на семя сахарной свеклы на вращающемся дне барабанного дражиратора

Семя сахарной свеклы движется по дну барабана из состояния покоя из точки, находящейся на расстоянии Л1, по радиусу от центра вращения (рис. 2).

Дифференциальные уравнения плоского движения имеют вид [6, 7]

Х =УЕ

1 ^^ кх

тх,

тУ1=Е рк>1 ¿ф =1мг1( е)

(1)

где т - масса шара (семени сахарной свеклы), кг; х1, у1 - координаты центра масс

шара, м; ^ ^ 1, ^ Р^ 1, - суммы проекции всех сил, действующих на шар на соответствующей оси координат; Л21 - момент инерции относительно центральных осей, кгм2;ф1 - угол поворота тела, рад; ^М^ (Е) - сумма моментов всех сил относительно центра масс, Н м.

После некоторых преобразований первого уравнения системы получим дифференциальное уравнение движения шара (семени) вдоль оси х1:

Х1=1 2

1 ^ 2 2г-^2 )У

2г-ю1

Ю)

1+е

(2)

ек(ю^)

где б - коэффициент трения скольжения; г - радиус семени сахарной свеклы (радиус шара), м; д - ускорение свободного падения, м/с2; ю - угловая скорость вращения дна барабана, с-1; х1 - текущая координата семени, м; Л - расстояние от центра вращения до семени, м.

Уравнение для определения времени движения семени сахарной свеклы по дну барабана t1 будет иметь вид

^ =1п

2 х,

¡2

Ю 1-ю Ю )

(2)

Скорость движения семени по дну барабана найдем по формуле

п 2 -

1 -е

=\ к

3-я 1

(3)

I к —Ю- | ^ г-Ю )

ю^кЮ^)

Так как оси х и у подвижны и движение семени происходит под действием переносной силы инерции Фе, направленной вдоль радиуса (по выбранной оси х), принимаем, что координаты вдоль оси у семени сахарной свеклы неизменны [8, 9].

Третье уравнение системы (1) - уравнение вращательного движения шара (семени) [10, 11]

=Фег , или ¿С2фх х1-г . (4)

После некоторых преобразований, при-

нимая a1 =•

2,5-0

r

, получим скорость и путь

вращения семени сахарной свеклы:

С S Л ,, N С S Л

=a1-i h--2"\-ch(mltl)-al\ \---\ , (5)

k r-0 ) \ r-0 )

(, S-g Л , .

^ =a1-i h1---\-5h(ö1t1)

k r-&1 )

■(6)

Далее семена сахарной свеклы, принимаемые за шар массой m, поднимаются по стенке барабана дражиратора на некоторую высоту h2 за счет переносной силы инерции Фе и осуществляют движение по стенке барабана дражиратора.

Уравнение движения семени сахарной свеклы по стенке барабана дражиратора вдоль оси х будет иметь вид [12, 13]

S-g Л

\\-ch (a^), (7)

t2 ( Х2=-gsm(a-M+j h2

2 k r-a

I h2--0"1

k r-a, )

где а- угол наклона стенки вращающегося дна барабана, град; G - сила тяжести, действующая на семя сахарной свеклы, Н; -время движения семени сахарной свеклы по стенке барабана, с.

Из выражения (7) время движения семени сахарной свеклы по стенке барабана t2 найдем по формуле [14]

t2 =

1

2 g sin a

( 1 Sg Л

\K —a I' k r-0 )

(8)

a

Продолжая движение, в некоторый момент времени семя (шар) попадает в рассекатель, наклоненный под углом р к радиусу барабана. В этом случае имеет место косой удар тела о неподвижную преграду [15, 16], после чего происходит падение шара на дно барабана (рис. 3). Пусть шар до удара находится на расстоянии Л2 от дна барабана.

Уравнение движения семени сахарной свеклы вдоль оси х:

x3 =Usiny-t3,

(9)

где U - скорость семени после удара, м/с; tз - время движения семени от рассекателя до дна барабана, с; у - угол отражения семени, град.

рассекат

вращения

Рис. 3. Схема движения семени после удара о рассекатель

Уравнение движения вдоль у:

у3 =и со$у-г3. (10)

Уравнение движения семени вдоль оси z:

z3=-

gj£ 2

(11)

Так как z3 = h1, то время движения семян после удара о рассекатель найдем по формуле [17]

(12)

Общее время движения семени сахарной свеклы при работе дражиратора за один цикл найдем из выражений (2), (8) и (12):

t=t1 +t2 +t3 =ln

2 x1

(, S-g Л I h —0-k r-01 )

2g sin a

I h2

S-g Л 0

—J-a

(13)

r-a

Клеящий раствор поступает в барабан дражиратора по трубке, падая с некоторой высоты. Рассмотрим движение капли клеящего раствора, принимая ее за материальную точку, при попадании ее на спиндиск (рис. 4) [18]. Плоскость рассекателя спиндиска наклонена под углом a1 к оси вращения.

Уравнение движения капли клеящего раствора по оси х:

Хк =a 2 r1sina1'tK

(14)

где г1 - радиус спиндиска, м; а>2 - угловая скорость вращения спиндиска, с-1; а1 - угол наклона ребра рассекателя спиндиска, град; 4 - время падения капли, с.

Нива Поволжья № 1 (26) 2013 53

вращения

Рис. 4. Схема движения капли клеящего раствора при ударе о спиндиск

Уравнение движения капли клеящего раствора по оси у:

Ук =а>2гхсоа.

(15)

Уравнение движения капли клеящего раствора вдоль оси г:

—ю2 г1$,'та1+Н к

(16)

где Нк - высота падения капли, м.

Таким образом, теоретическими исследованиями установлены аналитические зависимости движения семени сахарной свеклы, совершаемого во время работы барабанного дражиратора с вращающимся дном, позволяющие определить скорость и ускорение семени. Выведена формула для определения времени дражирования t одного цикла движения семян в барабанном дра-жираторе с вращающимся дном. Получены уравнения движения капли клеящего раствора при ударении её о ребро спиндиска.

Производственные исследования подтвердили эффективность применения разработанного барабанного дражиратора [19, 20]. Применение дражиратора обеспечивает качество дражированных семян на уровне 96...98 % при производительности 264 кг дражированных семян в смену.

Экономические расчеты подтверждают, что применение экспериментального дражиратора для семян сахарной свеклы экономически целесообразно. Годовой прирост прибыли при нормативной годовой загрузке 400 ч составил 207077 рублей при сроке окупаемости дополнительных затрат 0,28 года.

Литература

1. Сушков, М. Д. Сахарная свекла как основной источник получения сахара в нашей стране / М. Д. Сушков // Достижения науки и техники АПК. - 2006. - № 10. -С. 54-57.

2. Кухарев, О. Н. Экономическая эффективность семеноводства сахарной свеклы / О. Н. Кухарев // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ им. В. П. Горячкина»: Экономика и организация производства в агропромышленном комплексе. - 2006. - № 4. - С. 89-90.

3. Ларюшин, Н. П. Исследования высевающего аппарата с подпружиненным выталкивателем семян / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, И. Н. Семов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2009. - № 1. - С. 11-12.

4. Пат. 97238 РФ, МКИ3 А 01 С 1/00. Аппарат для дражирования семян / О. Н. Кухарев, И. Н Сёмов, А. М. Чирков. -№ 2009119789/13(027306) 25.05.2009. Опубл. 10.09.2010, Бюл. № 25. - С. 3.

5. Кухарев, О. Н. Теоретические основы ориентации тел / О. Н. Кухарев // Нива Поволжья. - 2007. - № 2. - С. 27-31.

6. Летошнев, М. Н. Сельскохозяйственные машины: Теория, расчет, проектирование и испытания. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Сельхозгиз, 1955. - 788 с.

7. Лурье, А. Б. Расчет и конструирование сельскохозяйственных машин / А. Б. Лурье, А. А. Громбчевский. - Л.: Машиностроение, 1977. - 528 с.

8. Яхин, С. М. Совершенствование конструкции протравливателя семян барабанного типа / С. М. Яхин, Р. Ш. Марданов, И. И. Алиакберов // Вестник Казанского ГАУ. - 2012. - № 2. - С. 80-84.

9. Исаев, Ю.М. Обоснование процесса перемещения семян спирально-винтовым рабочим органом / Ю. М. Исаев, Н. М. Се-машкин, Н. Н. Назарова // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2011. - № 1. - С. 97-99.

10. Павловский, М. А. Теоретическая механика / М. А. Павловский, Т. В. Путята. -Киев: Вища школа, 1985. - 478 с.

11. Добронравов, В. В. Курс теоретической механики / В. В. Добронравов, Н. Н. Никитин. - М.: Высшая школа, 1983. - 457с.

2

12. Яблонский, А. А. Курс теоретической механики. Ч. 1 / А. А. Яблонский, В. М. Ни-кифирова. Статика. Кинематика: учебник для техн. вузов. - 6-е изд., испр. - М.: Высш. шк, 1984. - 343 с.

13. Бать, М. И. Теоретическая механика в примерах и задачах / Под ред. Д. Р. Мер-кина. - Т. 1. Статика и кинематика. - 8-е изд., перераб. / М. И. Бать, Г. Ю. Джанелидзе, А. С. Кельзон. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 504 с.

14. Артоболевский, И. И. Теория механизмов и машин: учеб. для втузов / И. И. Артоболевский - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1988. - 640 с.

15. Коновалов, В. В. Расчёт смесительной камеры при взаимодействии потоков сухих и жидких компонентов / В. В. Коновалов, А. А. Власов // Достижения науки и техники в АПК. - № 9. - 2003. - С. 29-30.

16. Василенко, П. М. Движение частицы по шероховатой поверхности сельскохозяйственных машин / П. М. Василенко. -Киев: Изд-во УАСХН, 1960. - 282 с.

17. Корн, Т. Справочник по математике: для научных работников и инженеров / Т. Корн. - М.: Наука, 1977. - 831 с.

18. Сохроков, А. М. Совершенствование технологии предпосевной подготовки семян овощных культур и оптимизация параметров установки для их дражирования: дис. ... канд. техн. наук / А. М. Сохроков. -Нальчик, 2002. - 129 с.

19. Технология и технические средства дражирования семян сахарной свеклы: монография / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, И. Н. Семов, А. М. Чирков. - Пенза: 2012. -112 с.

20. Кухарев, О. Н. Результаты исследований барабанного дражиратора / О. Н. Кухарев, И. Н. Семов, А. М. Чирков // Нива Поволжья. - 2010. - № 1. - С. 54-57.

УДК 631.331

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВАРИАТОРА ПРИВОДА

ВЫСЕВАЮЩИХ АППАРАТОВ

Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор; В. Н. Кувайцев, канд. техн. наук;

А. В. Шуков, канд. техн. наук

ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (8412) 628 517

Статья посвящена повышению качества посева семян зерновых культур сеялкой-культиватором с разработкой и применением вариатора привода высевающих аппаратов и содержит результаты лабораторных исследований рычажного вариатора привода высевающих аппаратов зерновой сеялки с целью определения оптимальных значений его геометрических и кинематических параметров, обеспечивающих наименьшее отклонение от заданной нормы высева. В рамках данного исследования проведен многофакторный эксперимент для обоснования оптимальных значений конструктивных и режимных параметров вариатора привода высевающих аппаратов, определены интервалы оптимальных значений конструктивных и режимных параметров рычажного вариатора привода высевающего аппарата сеялки: передаточное отношение рычажного вариатора, радиус кривошипа выходного вала рычажного вариатора и радиус кривошипа входного вала рычажного вариатора.

Ключевые слова: высевающий аппарат, сеялка, многофакторный эксперимент, вариатор, распределение семян.

В последние годы интерес к проблемам посева сельскохозяйственных культур значительно возрос, что объясняется важностью этой операции для повышения урожайности, необходимостью внедрения в производство интенсивных ресурсо- и вла-госберегающих технологий с применением сеялок-культиваторов. При возделывании зерновых культур посев является одной из ответственных операций, при этом правильно выбранная технология посева, точ-

ность установки нормы высева семян посевных машин в зависимости от сложившихся климатических и конкретных почвенных условий определяют будущий урожай. Кроме того, высококачественный посев позволяет окупить затраты труда и денежных средств.

Для посевных машин, в частности сеялок-культиваторов, одним из самых перспективных и надежных, с хорошими показателями качества и точности установки

Нива Поволжья № 1 (26) 2013 55