Теоретическое обоснование конструкции роторного вальца молотильного аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 635.65:631.3

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РОТОРНОГО ВАЛЬЦА МОЛОТИЛЬНОГО АППАРАТА

А.Н. Цепляев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Ю.А. Дугин, кандидат технических наук, доцент В.А. Цепляев, кандидат технических наук, доцент

Волгоградский государственный аграрный университет

В данной работе рассматривается молотильный аппарат роторно-винтового типа с использованием рабочего органа воздействующего только на оболочку боба и разрушающий ее за счет деформации сжатия и сдвига, а также определяются параметры конструкции роторного вальца для гарантированного захвата боба и его обмолота.

Ключевые слова: нут, валец, винтовая линия, зазор, радиус

обмолачивающих вальцов, угол захвата боба, радиус боба.

Обмолот зерновых культур связан с большими затратами энергии. Конструкция современных молотильных аппаратов зерноуборочных комбайнов, являясь универсальной при обмолоте значительной части сельскохозяйственных культур, в то же время не приспособлена к обмолоту бобовых [1]. Ведь таких существенных затрат энергии при обмолоте бобовых не требуется. При этом конструкция «барабан - подбарбанье» с клиновидным зазором между молотильными элементами не позволяет снизить усилие при обмолоте [3], что приводит к неоправданным затратам энергии, в основном, на теребление соломы [4]. В последующем, затрудняется работа сепарирующих устройств [5], ухудшается качество зерна, засоряется мелкими примесями зерновой ворох.

Для совершенствования технологии и молотильных устройств, исследованием процесса обмолота продолжали заниматься по существу во всем мире. К сожалению, до сих пор не удалось существенно снизить затраты на отделение зерна, но и ликвидировать потери от недомолота и механического повреждения семян [8].

Одними из факторов повреждения семян являются конструктивные и кинематические параметры молотильного аппарата. При изучении семенного материала из бункера комбайна установлено, что использование бильных барабанов вызывает повреждение не меньше 5%, а микроповреждения достигают 38% [6,7], что отрицательно влияет на семенной материал и, как следствие, приводит к снижению всхожести при посеве [2]. Поэтому обычные молотильные устройства, работающие по принципу «барабан - дека», весьма не приспособлены для обмолота зернобобовых культур.

При изучении возможности роторных устройств для обмолота семян зернобобовых была разработана технологическая схема молотильного аппарата и он был изготовлен в виде производственного варианта.

В качестве рабочего органа в нем используются обрезиненные обмолачивающие вальцы, способствующие снижению травмирования семян до минимума при сохранении высокой полноты отделения [9].

Установка (рисунок 1) включает верхние 2 и нижние 3 пары обрезиненных вальцов, электродвигателя 4, который через клиноременную передачу приводит во вращение промежуточный вал 5. На валу установлен вариатор 6 для изменения частоты вращения обмолачивающих вальцов. Каждый валец представляет собой

сборную конструкцию в виде вала и жестких резиновых шайб с выступами. Привод узлов роторно-винтового молотильного аппарата осуществляется

электродвигателем или через редуктор от ВОМ трактора.

2

Рисунок 1 - Технологическая схема молотильного аппарата роторно-винтового

типа:

1 - рама; 2, 3 - верхняя и нижняя пара обмолачивающих вальцов;

4 - электродвигатель; 5 - промежуточный вал; 6 - вариатор

Конструкция вальцов выполнена таким образом, что из-за смещения выступов шайб на поверхности образуется некоторая винтовая линия с определенным шагом, направленная от середины к краям, за счет чего

обеспечивается равномерное распределение обмолачиваемой массы по всей длине вальцов. При этом верхние слои обмолачиваемой массы перемещаются

относительно нижних быстрее за счет большей окружной скорости верхнего вальца. Наиболее крупные бобы обмолачиваются первой парой вальцов, а оставшиеся - второй.

Роторно-винтовой молотильный аппарат работает следующим образом. Масса, поступает на обмолот, и направляется в зазор между первой парой вальцов, которые вращаются в одном направлении.

При этом происходит первоначальное уплотнение материала и

распределение по всей длине вальцов винтовыми линиями, затем, за счет разницы скоростей верхних и нижних вальцов, верхние слои обмолачивающей массы перемещаются быстрее. Наиболее крупные бобы обмолачиваются первой парой вальцов, а оставшиеся - второй.

Вторая пара вальцоврешает основную задачу по выделению семян из бобовых культур. Процесс выделения заключается в том, что вращающиеся вальцы захватывают боб и протаскивают его в зазор между ними. При этом минимальный радиус вальцов должен быть таким, чтобы в момент встречи с вальцами боб мог бы быть захвачен ими, то есть при определенном зазоре Дh минимальный радиус должен обеспечивать условие защемления боба.

Рассмотрим условие, при котором боб будет удерживаться между вальцами, (рис. 2).

Процесс отделения семени из оболочки состоит из трех фаз. В первой фазе боб захватывается вращающимися вальцами и надежно удерживается в зазоре между ними.

Во второй фазе за счет разности окружных скоростей боб, переходя в зазоре между вальцами, выделяется из оболочки.

В третьей фазе очищенное семя сбрасывается с вальца и движется по определенной траектории по направлению вращения вальцов.

Рисунок 2 - Схема сил, действующих на боб при встрече его с вальцами

Для условия захвата и удержания боба необходимо чтобы сумма проекций всех сил по оси ОХ и ОУ, а также сумма моментов относительно точки О равнялась бы нулю.

^ Х = N ■ sina + N1 ■ sina1 - F ■ cosa - F1 ■ cosa1 = 0;

^ Y = N ■ cosa-N1 ■ cosa1 + F ■ sin a-F1 ■ sin a1 = 0; } (1)

^ Mo = N ■ l1 - F ■ R - F1 ■ l2 = 0.

Имеем в виду, что F = f ■ N = N ■ tgp.

F = f ■ N = N, ■ tgp,.

11 =(R + R1 + hmin )• sina1 = A • sina^

12 = {R + R1 + hmin )• cosa1 -R1 = A • cosa1 -Rx.

Здесь f и f1 - коэффициенты трения, а ф и ф1 - углы трения.

Поэтому после соответствующих преобразований система уравнений (1) примет вид:

N • {sin a- cos a • tgр) = - N1 • {sin a1 - cos a1 • tgp1);

N • {cos a + sin a • tgp) = N1 • {cos a1 + sin a1 • tgp1);

N • R • tgp = N1 •[A • sina1 - tgp1 {A • cosa1 - R1)].

Поделим почленно первое уравнение системы (2) на второе уравнение. Тогда

(2)

sin a- cosa- tgp sma, - cosax ■ tgp,

cosa + sin a- tgp cosax + sinax ■ tgp,

Так как

sin a - cosa ■ tgp =

sin (a - p)

cosp

sin a, - cos a, ■ tgp,

sin a -pj) cos p,

cosa + sina • tgp ■■

cos

(a-v).

cosa1 + sina1

cos(a1 + (p1)

соэр С0Эр1

то tg{a — (p) = —tg{a1 — (р1), или а+а]=ф+ф].

Условие, обеспечивающее захват семян будет записано:

а+а] < ф+ф].

Исходя из полученного условия можно определить критическое значение радиуса ротора второй пары вальцов.

Критическое значение радиуса ротора будет определено для случая, если продолжение вектора нормальных сил будет проходить через центр боба, а соответственно векторы сил трения будут пересекаться на горизонтальной линии, проходящей через середину зазора и находящейся на линии, соединяющей центры роторов (т. В) рисунок 3.

Рассмотрим два прямоугольных треугольника ОАВ и О]АВ. Сторона АВ у них общая. Тогда на основании теоремы косинусов можно записать:

Ґ и \2

АВ2 =(R + r f +

R +

2

-(R + r )•

( h .Л

R + min • cosa

v 2 У

АС

АВ =

sin a

(3)

Однако из прямоугольного треугольника АВС

Если в выражение (3) вместо АВ подставить его значение, заменив при этом АС его величиной, равной г, то получим равенство:

~2 Г ь V

эт2 а

= (R + r)- +

h

R +

v 2 ,

- 2(R + r)• I R

+

h

\

2

cosa.

(4)

Рисунок 3 - Схема к определению радиуса вальца

Поскольку величина зазора Итп между вальцами напрямую связана с радиусом семени г, то введя коэффициент пропорциональности ^, учитывающий отношение радиуса боба к радиусу обмолачивающего вальца, меньше единицы, запишем:

sin2 а

(R + r)2 + [^R + -2(R + r)-^R +

cos

9 + 9i 2

(5)

Для проведения решения полученного выражения (5) относительно R рассмотрим два прямоугольных треугольника ОАВ и АВС. Судя по схеме эти треугольники подобны, то есть треугольник ОАВ ~ АВС. Из условия подобия можно записать:

ОС ВС

Учитывая, что ОС=R, АС=г, получим:

ВС АС •

вс = 4r-T .

(6)

(7)

Поскольку вс = -Г-, то в результате получим: = 4в~Т. Возведем обе части

tga

в квадрат и выразим отсюда R,

= R - г,

R =

2 2 tg а- r tg а

(8)

Поскольку полученное выражение (8) носит частный характер и не может быть использовано для наиболее общих расчетов, характерных для данной работы, то зависимость радиуса вальца определим из выражения (5).

Е1 r 2 / \

R2 + 2 R - r + r2 + R2 + R - r -Е+—^---------------------------(2 R2 + R - r -Е + 2r - R + £- r2 )-

cos а - -

sln2 а

= 0.

Для определения R, подставим в произведение ^г, значение (8).

(9)

г 2 2 г г% 2 2

„2 „г, 2 л2 Е- r „л2 r -Е- cosa 2r - cosa „ 2 г

R + 2R-г + г + R +^-2R -cosa-----------------------------------------------^- -Е -г -cosa——— = 0

2

tg а

2

tg а

2

tg а

sm2 а

;(ю)

Проведя соответствующие математические преобразования, окончательно получим:

R =

i і Е -ctg2а(і - cosa)- 1 - Еcosa——

sm2 а

2(1 - cosa)

(11)

Из полученного аналитического выражения следует, что радиус вальца напрямую зависит от радиуса боба г, угла захвата боба а, а также от коэффициента пропорциональности ^.

Библиографический список

1. Бердышев, В.Е. Исследование процесса обмолота колосков бильными барабанами [Текст]/ В.Е. Бердышев // Сборник научных трудов МИИСП. - М. ,1975. - Т. XII. - Вып. 1. - Ч. 1. -С. 161-165.

2

r

2

2

r

r

r

2

r

2

r

2. Бердышев, В.Е. Испытания сортов томата на пригодность к механизированной уборке[Текст] / В.Е. Бердышев, В.В. Хренова // Труды по селекции и семеноводству овощных культур. - М., 1976. -Т. 4. -С. 15-17.

3. Бердышев, В.Е. Молотильно-сепарирующее устройство аксиально-роторного типа [Текст]/ В.Е. Бердышев, Н.И. Кленин, С.Г. Ломакин и др. // Вузовская наука производству. Приложение к сборнику научных трудов МИИСП.- М., 1988. - Вып. 1987г. - С. 28-31.

4. Бердышев, В.Е. Влияние неравномерности подачи вороха на качество работы очистки [Текст] / В.Е. Бердышев // Сборник научных трудов МИИСП. - М., 1980. - Т. XVII. - С. 78-83.

5. Бердышев, В.Е. Пути повышения производительности очистки зерноуборочного комбайна [Текст]/ В.Е. Бердышев, С.Г. Ломакин // Сборник научных трудов МИИСП. -М., 1978. - Т. XV. - Вып. 1. - С. 89-93.

6. Бердышев, В.Е. Анализ качественных показателей работы аксиально-роторных комбайнов на уборке кукурузы [Текст]/ В.Е. Бердышев, С.Г. Ломакин, А.П. Гусев // Технические средства для интенсивных технологий сельскохозяйственного производства: сборник научных трудов МИИСП. - М., 1991. - С. 75-83.

7. Бердышев, В.Е. Совершенствование молотильно-сепарирующих устройств роторных рисоуборочных комбайнов [Текст]/ В.Е. Бердышев, С.Г. Ломакин //Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1991. - № 9. - С. 23-25.

8. Бердышев, В.Е. Методология совершенствования рабочих органов зерноуборочных комбайнов[Текст] / В.Е. Бердышев //Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2012. - № 8. - С. 23-25.

9. Дугин, Ю.А. Особенности конструкции вальцового молотильного аппарата для обмолота зернобобовых культур[Текст] / Ю.А. Дугин, А.Н. Цепляев // Материалы 9-ой региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области / ВГСХА. -Волгоград, 2005. - С. 49-51.

E-mail: mshaprov@bk.ru