CC BY
13
УДК 635.353.173
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАЛЬЦОВО-БИТЕРНОГО ПОДБИРАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор; А. М. Ларюшин, канд. техн. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (841-2) 628517, (841-2) 628542, e-mail: lam@pnz. ru
В статье дано теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров вальцово-битерного подбирающего устройства. Представлены схема и технологический процесс работы предлагаемого вальцово-битерного подбирающего устройства. Обоснованы угол наклона лемеха, диаметр шестигранного вала, получены уравнения для определения траектории движения и скорости движения произвольных точек поверхности шестигранного вала.
Ключевые слова: лемех, вальцы, битер, шестигранный вал, подбирающее устройство, конструкция, режимы.
На выкопку лука с укладкой в валок, подбор и погрузку вручную в транспорт затрачивается до 60 чел-ч на 1 т продукции, или до 50 % всех затрат труда [1].
В структуре себестоимости лука 60...70 % занимают затраты ручного труда на операциях по уходу и уборке. Механизированная уборка применяется на небольших площадях. А севок убирается почти повсеместно
вручную. Это объясняется отсутствием специальных машин для уборки лука-севка, а различные приспособления, которые только незначительно облегчают процесс отделения почвенных примесей из вороха лука-севка, не решают полностью проблему механизации уборки. Серийные лукоубороч-ные машины при уборке лука-севка не выполняют основных качественных показате-
лей, содержащихся в агротехнических требованиях. Процесс отделения почвенных комков на сепарирующих органах, ввиду малости луковичек (7...30 мм), протекает неудовлетворительно. Наиболее перспективным в отношении количества почвенных примесей в убранной массе является отделение этих примесей из вороха на подби-рающе-сепарирующих рабочих органах.
Основная задача подбирающих рабочих органов - полный подбор валка убираемого продукта, причем они должны обеспечивать полноту подбора не менее 95 %.
Для обеспечения полноты подбора валка лука-севка и уменьшения количества почвенных примесей в подобранном валке в ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» разработан и изготовлен опытный образец подборщика с вальцово-битерным подбирающим устройством для подбора лука-севка из валков (патент РФ № 2240673) (рис. 1), состоящий из лемеха 1, копирующего устройства 2, шестигранного вала 3, прутковых вальцов 4, 5, 6 и битера 7 с эластичными лопастями 8.
В предлагаемой функциональной схеме вальцово-битерного подбирающего устройства есть ряд существенных отличий от принятых за аналоги элементов известных конструкций, обусловленных тем, что процесс подбора валка лука-севка в совокуп-
ности с почвосодержащим подкопанным слоем включает следующие фазы: подъем валка лемехом; подбор сходящей массы с лемеха шестигранным валом; взаимодействие луковиц валка с рабочей поверхностью вальцов подбирающего устройства и воздействие лопасти битера на валок.
При определении конструктивных и режимных параметров вальцово-битерного подбирающего устройства были приняты следующие основные допущения: агрегат движется равномерно и прямолинейно; рабочие органы вращаются с постоянной угловой скоростью; высота расположения рабочих органов относительно поверхности поля в процессе не меняется; толщина валка и глубина подкапываемого слоя постоянные.
В основу устройства пассивных лемехов овощеуборочных машин положен двухгранный клин, процесс работы которого заключается в следующем: при движении лезвие лемеха разъединяет сцепленные между собой частицы почвы, и срезанный пласт под действием реакции недеформи-рованной почвы скользит вверх по рабочей поверхности клина. Качество работы лемеха зависит от типа и состояния почвы, а также угла установки и длины рабочей поверхности лемеха.
Скольжение пласта по рабочей поверхности лемеха без сгруживания (обра-
8 7
1 3 4 5 6
Рис. 1. Схема вальцово-битерного подбирающего устройства: 1 - лемех; 2 - копирующий рабочий орган; 3 - вал шестигранный; 4, 5, 6 - соответственно первый, второй, третий прутковые вальцы, 7 - битер, 8 - лопасти эластичные
зования призмы волочения впереди лезвия лемеха) возможно, когда
«<(90 -ф), (1)
где а - угол установки (наклона) лемеха, град;
Ф - угол трения почвы о металл, град.
Этим предельным соотношением определяется предельное значение угла а.
Подкапывание слоя почвы при малом угле установки лемеха (а<25°) сопровождается образованием сплошного пласта, при этом крошение почвы незначительное, и последующая сепарация ее чрезвычайно затруднена.
Влияние длины рабочей поверхности лемеха на качество подкапывания выражается в том, что с увеличением длины рабочей поверхности лемеха скорость перемещения пласта по лемеху уменьшается. В результате этого при какой-то предельной длине рабочей поверхности лемеха происходит сгруживание почвы впереди лемеха.
Длина рабочей поверхности лемеха определяется из выражения
l <ctg(а+ф х
(2)
Роб ■ g
- 2 •—-sin|-( cos|- tg (а+ф))- sin|
где ств - временное сопротивление почвы сжатию, МПа;
роб - объемная (насыпная) плотность почвы, кг/м3;
им - скорость движения машины, м/с; д - ускорение свободного падения, м/с2; Ф - угол трения почвы о металл, град.
K - cosa
у = arctg-,
sin a
где К - коэффициент усадки пласта, равный отношению толщины пласта на лемехе h-i к глубине подкапывания h (по данным Н. М. Марченко, на тяжелой суглинистой почве углам установки клина a1=15°; a2 = 20° и a3=25° соответствуют К1 = 1,39, К2 = 1,56 и Кз=1,88).
При условии ^a+ф возрастание скорости приводит к увеличению сгруживания, а при ^a+ф с возрастанием скорости сгруживание уменьшается.
При работе вальцово-битерного подбирающего устройства поднимаемый лемехом валок перемещается относительно его поверхности, а на сходе с лемеха валок подбирается шестигранным валом, который передает его на прутковые вальцы.
Для упрощения расчетов принимаем, что точка соприкосновения шестигранного вала с валком лука-севка, сходящего с рабочей поверхности лемеха, равна величине расстояния между верхней задней кромкой лемеха Н и поверхностью почвы (рис. 2):
H = l ■ sina , (3)
где l - длина рабочей поверхности лемеха, м;
a - угол установки (наклона) лемеха, град.
Поступающая масса будет проходить по шестигранному валу с началом контакта вала с валком в точке М без сгруживания и потерь при условии, что предельная составляющая сила трения по оси Х будет больше составляющей выталкивающей силы, то есть
Fx > Px, (4)
1
1 1
Рис. 2. Схема к определению диаметра шестигранного вала: 1 - лемех; 2 - вал шестигранный
(5)
при этом
Fx = F • cos6 = f • P • cos t Px = P • sin 6»,
где f - коэффициент трения вороха лука-севка о материал шестигранного вала. Из условия
f > tg6 tgp> tg6 р>6, (6)
где р - угол трения валка лука-севка о материал шестигранного вала, следует, что
cos6> cos р. (7)
Так как
н •( К.в+ S+h)
cos6 = -
R
(8)
где И - толщина подкопанного слоя, м;
в. - радиус шестигранного вала, м; Б - высота установки шестигранного вала над поверхностью почвы, м, и из тригонометрической функции 1
ео^р = ■ „ , (9)
VI + Ъ V
то, подставляя уравнения (8) и (9) в выражение (7), получим:
н (+*+н )>_^=. 00)
Кш. е. + tg V
После простых преобразований получим выражение для определения радиуса шестигранного вала:
н -(* + н)
Rm. е. ^
1 +
1
1
+ tg с
или
2 •(H - S + h) 1
(4.11)
(4.12)
1 +
где й - диаметр шестигранного вала, м.
Чтобы установить характер работы подбирающего рабочего органа, рассмотрим технологический процесс работы шестигранного вала на примере траектории движения точки А (рис. 3), расположенной на грани шестигранного вала.
Отнесем шестигранный вал к прямоугольной неподвижной системе координат Ох и Оу с началом в точке О, расположенной так, что ось Ох находится на уровне подошвы почвы и направлена в сторону поступательного движения подбирающей машины, а ось Оу с диагональю сечения и направлена вертикально вверх.
Через некоторый момент времени машина переместится вперед на расстояние ОО1 = им ■ (. За этот же промежуток времени точка А, вращаясь равномерно с угловой скоростью Ю1, в относительном движении, перейдет в положение А?, повернувшись на угол а1 ■ (. Тогда уравнение движения произвольной точки боковой грани шестигранного вала будет иметь вид:
(13)
1
+ tg с
Х = °ш,.' t + RA ^ sin (®1 ^t-a) /I
у = R-Ra • cos( • t-a) J
где R - радиус окружности, описываемый точкой, расположенной на конце диагонали сечения шестигранного вала, м;
Ra - радиус окружности, описываемой произвольной точкой А, расположенной на грани шестигранного вала, м;
иш. в. - скорость поступательного перемещения шестигранного вала, м/с;
ю1 - угловая скорость вращения шестигранного вала, с-1;
a - угол, заключенный между радиусом R и радиусом Ra, град.
Рис. 3. Схема к определению конструктивных и режимных параметров
шестигранного вала
ш.е. ~
ишв им ....
1 Я Я где им - поступательная скорость движения машины, м/с;
X - показатель кинематического режима.
Рис. 4. Схема к обоснованию параметра
Из рис. 4 следует, что для шестигранного вала
R=OC+CK,
или
sin a
R = Ra • cosa + Ra--cos60 .
sin60
(15)
(16)
После некоторых тригонометрических преобразований, выразив из формулы (16) RA, получим
Ra = R-
sin60
(17)
sin (60 + a)
Приняв во внимание выражение (17), выражения (13) запишем в следующем виде:
sin60
• t + R
у = R-R
sin (60 + a) sin60
• sin ( • t - a);
Mil UU / \
--cos(со, • t-a).
sin (60 + a) v 1 '
(18)
(4.19)
Уравнение движения точки, расположенной на конце диагонали шестигранного вала (a=0) (рис. 4):
х = ишв • t+R • sin ct;] у = R-R • cos ct. J
Задавая значения t, можно построить траектории движения произвольной точки боковой грани шестигранного вала и точки, расположенной на конце диагонали шестигранного вала (рис. 5).
Интенсивность воздействия шестигранного вала на составляющие валка лука-севка обуславливается также разностью в скоростях движения различных точек поверхности шестигранного вала.
Определяя скорость рассматриваемой точки А (рис. 3), будем иметь:
UA Х + У = j
2 2 и- + U
(20)
После дифференцирования уравнения (18) по времени, получим
х = и
dx л sin60 , ч
U =-Г = и + Un, \'cos6-а) dt sin(60+a)
(21)
ф „ sin60 . , ч
Цу =T= R'a! ■ \ 'sin6 't-a)' dt sin(60+a)
Подставив найденные значения иАх и иАу в уравнение (20) получим:
sin 60
иш в + R 'Ю,——;-т' cos
) + а)
(ю,' t -а)
sin60 . /
R 'Ю.--^' sin (ю,' t -а)
'sin (60 + а) v '
(22)
После простых преобразований уравнение (22) примет вид:
1
2 „ sinffl , ч _2 2 sin260
ишв +2-ч- '^ю£1П(60+а
sm2(63+а
. (23)
Так как угол а изменяется в пределах от 0 до 60°, то скорость отдельных точек шестигранного вала будет иметь значения в пределах: при а=0°
и А = V иШ в + 2 • иш в • R • Ю, • cos ffl,t + R2 • ю,2 , (24) при а=60°
U в + 2' U'R'Ю,'cos(t-60)+ R2 'Ю,2 . (25)
На рис. 6 приведены кривые изменения скорости движения первой и второй точек шестигранного вала.
Из уравнения (23) видно, что скорость произвольной точки, взятой на грани шестигранного вала, зависит от скорости по-
ступательного перемещения иш. в., скорости ее вращательного движения ю-| и угла а.
Выражения (24) и (25), а также график (рис. 6) показывают, что скорость разных точек, расположенных на одной грани шестигранного вала, различна по своей величине. Причем наибольшую скорость имеют точки, для которых угол а равен нулю.
Так как частицы почвы и составляющие валка лука-севка соприкасаются с поверхностью шестигранного вала и совершают относительное перемещение по ее поверхности, то они вынуждены перемещаться по различным траекториям и будут иметь скорости различной величины и направления. В результате этого валок встряхивается, что приводит к отделению почвенных примесей из валка.
Литература
1. Хвостов, В. А. Машины для уборки корнеплодов и лука (теория, конструкция, расчет) / В. А. Хвостов, Э. С. Рейнгард. -М., 1995. - 391 с.
2. Ларюшин, Н. П. Комплекс машин для производства лука. Теория, конструкция, расчет / Н. П. Ларюшин, А. В. Поликанов, О. Н. Ку-харев, А. М. Ларюшин и др.: учебник. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. - 248 с.
3. Давыдов, С. В. Теоретическое обоснование конструктивных параметров и режимов работы дискового гребнеобразующего рабочего органа / С. В. Давыдов, А. И. Мельников // Вестник Саратовского госагроуни-верситета им. Н. И. Вавилова. - 2008. -№ 7 - С. 62-65.
