Теоретическое обоснование работы выкапывающе-сепарирующего рабочего органа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.362

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАБОТЫ ВЫКАПЫВАЮЩЕ-СЕПАРИРУЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА

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 выкапывающе-сепарирующего устройства. Представлены схема и технологический процесс работы предлагаемого выкапывающе-сепарирующего устройства. Обоснованы траектории движения конца лопасти битера и стержня ротора, сила, обеспечивающая теребление луковиц за ботву, и геометрические параметры выкапывающе-сепарирующего рабочего органа.

Ключевые слова: лук, уборка, ротор, лопасти, битер, конструкция, режимы.

Поступающий в машину при уборке лука ворох содержит кроме луковиц почвенные и растительные примеси. В зависимости от условий работы и типа машины содержание почвенных примесей в исходном ворохе может составлять от 20 до 98 %. Содержание растительных примесей (свободная ботва, сорняки) обычно не превышает 5 однако даже небольшое (2...4 %) количество их делает ворох непригодным ни для реализации, ни для хранения [1].

Из-за отличительной особенности лука-севка, заключающейся в малых размерах его луковиц, которые соизмеримы с размерами почвенных примесей, процесс отделения почвенных примесей из вороха лука-севка на сепарирующих рабочих органах ограничен.

Отделение почвенных примесей можно рассматривать как комплексный непрерывный процесс, состоящий из двух последовательно выполняемых операций:

- первичная сепарация в процессе извлечения луковиц из почвы корнеизвле-кающими устройствами;

- вторичная - на сепарирующих поверхностях.

Поэтому особое внимание следует уделить изысканию наиболее эффективных корнеизвлекающих рабочих органов, позволяющих производить отделение части почвы уже в процессе извлечения лука из почвы.

По мнению профессоров В. А. Хвосто-ва и Э. С. Рейнгарта, при уборке лука на средних и тяжелых почвах минимальное количество почвенных примесей вместе с луком на сепарирующие рабочие органы в машину подают корнеизвлекающие рабочие органы теребильного типа.

Впервые вопросы теребления лука-севка рабочими органами дискового типа были освещены в трудах Н. П. Ларюшина. В машинах такого типа захват листьев убираемой культуры теребильным аппаратом осуществляется в тот момент, когда они находятся над рабочей поверхностью скобы (лемеха). Однако, как известно, при перемещении подкопанного пласта почвы по рабочей поверхности лемеха почва частично уплотняется. Поэтому усилия, необ-

ходимые для выдергивания луковиц в зоне уплотнения, будут немного выше, чем в зоне схода пласта с задней кромки лемеха (зона максимального крошения) [2]. Следовательно, теребление лука-севка целесообразнее проводить в момент, когда пласт почвы сходит с задней кромки лемеха.

Такой принцип работы применялся в битерных теребильных аппаратах [2]. Но в связи с тем, что битер, расположенный вслед за лемехом, не разрушает почвенного пласта, первичное отделение почвенных примесей не происходит.

Для обеспечения уборки лука-севка способом теребления с первичной сепарацией на выкапывающих рабочих органах учеными ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» разработана конструкция выкапывающе-сепарирующего рабочего органа (рис. 1) (патент РФ № 2240671), состоящего из лемеха 1, битера 2 с эластичными лопастями 3 и ротора 4, состоящего из боковин 5 и стержней 6, зафиксированных для исключения свободного вращения относительно боковин 5 ротора 4 с помощью пружин 7 на боковинах 5 ротора 4. Внутри ротора 4 и на его валу 8 жестко установлен шнек 9 со спиралями правого и левого направлений от его середины. Битер и ротор соединены приводом во встречное вращение.

Как отмечалось ранее, особенностью состава луко-почвенной массы, поступающей на сепарирующие рабочие органы, заключается в том, что размеры почвенных примесей соизмеримы с размерами луковиц севка, что в дальнейшем усложняет процесс разделения вороха на сепарирующих устройствах уборочной машины.

2 3

4 6

5

Рис. 1. Схема выкапывающе-сепарирующего рабочего органа: 1 - лемех; 2 - битер; 3 - лопасти эластичные; 4 - ротор; 5 - боковина; 6 -стержни; 7 - пружина; 8 - вал; 9 - шнек

В предлагаемой функциональной схеме выкапывающе-сепарирующего рабочего органа есть ряд существенных отличий от принятых за аналоги элементов известных конструкций, обусловленных тем, что процесс выкопки включает следующие фазы: подкапывание лемехом пласта почвы; теребление луковиц лопастями битера и стержнями ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа; отделение почвенных примесей во время теребления; удаление почвенных примесей из внутренней полости ротора шнеком.

Основными параметрами выкапываю-ще-сепарирующего рабочего органа, определяющими качество его работы, являются длина рабочего пути перемещения луковиц при тереблении, скорость теребления, усилие зажатия ботвы лопастями битера, геометрические параметры устройства.

Чтобы при тереблении было меньше обрывов листьев лука и его потерь, листья лука выкапывающе-сепарирующим рабочим органом желательно захватывать в том месте, где их пучок имеет наибольшую прочность. Как показали исследования физико-механических свойств лука-севка, наиболее прочен пучок ботвы у основания и в середине. Поэтому при средней длине пучка листьев 20,86 см захват листьев должен производиться на расстоянии 2... 10 см от вешки луковиц.

Для определения координаты точки начала теребления рассмотрим траектории движения точек, лежащих на наружной кромке лопасти битера и на стержне ротора.

Начало неподвижной системы координат Ох и Оу (рис. 2) с началом координат в точке О, расположено так, чтобы ось Ох находилась на нижнем уровне положения конца лопасти битера и нижней точке стержня ротора и была направлена в сторону поступательного движения уборочной машины, а ось Оу пересекала, соответственно, геометрический центр вращения битера и ротора в начальный момент движения и была направлена вертикально верх.

Как видно из рис. 2, лопасти битера вы-капывающе-сепарирующего рабочего органа при поступательном и вращательном движении будут совершать движения по кривой, параметрическое уравнение которой имеет вид:

хб = им • (- яб • У б = кб - со5®6/),

(1)

где им - поступательная скорость движения машины, м/с;

Рис. 2. Схема к определению закона движения крайних точек битера и ротора:

1 - битер; 2 - ротор

юб - угловая скорость вращения битера, с-1;

Рб - радиус окружности, описываемой лопастью битера при вращении, м.

Таким же образом можно записать закон движения стержня ротора до начала теребления:

хр = и-* - Кр ■ эт®/ Ур = Кр - cos®рt)

(2)

где Юр - угловая скорость вращения ротора, с-1;

Рр - радиус окружности, описываемой стержнем ротора при вращении, м.

Если учесть, что угловая скорость вращения битера

и и ■ Хб

= К = ' (3)

Кб Кб

где иб - линейная скорость вращения битера, м/с;

Хб - показатель кинематического режима битера,

и угловая скорость вращения ротора

(4)

К

К

где ир - линейная скорость вращения ротора, м/с;

Рн

о

Рис. 3. Схема для расчета силы сцепления выкапывающе-сепарирующего рабочего органа, обеспечиваемой лопастью битера и стержнем ротора

Хр - показатель кинематического режима ротора,

то закон движения конца лопасти битера в осях х50/у5, где параметром служит время t, запишется в виде: и„ • Хб

= и. ■ t - R.

( X Л

y6 = R61 -cos-^-2.11

''I1

R.б

(5)

Рин - сила инерции извлекаемой из почвы луковицы, Н;

[Ре] - допустимое усилие разрыва ботвы, Н.

Сила инерции Рин извлекаемой из почвы луковицы зависит от скорости извлечения луковицы из почвы и может быть определена из выражения

Р =

а закон движения стержня ротора в осях хрО?Ур примет вид:

m' Avc 2' S„

(8)

Хр = им ' t - Rp ' sm"

и X

R„

У,

= R

(

'I1"

o-X Л

R

(6)

Усилие N сжатия ботвы выкапывающе-сепарирующим рабочим органом (рис. 3) должно обеспечивать такую силу F сцепления рабочих органов выкапывающе-сепарирующего рабочего органа с ботвой, которая в состоянии преодолеть силы сопротивления теребления луковицы.

Исходя из этого можно записать условие теребления луковицы следующим образом:

Г = М-/ = О + 0 + Рин <[Рб], (7)

где f - коэффициент трения листьев лука о материал, из которого изготовлены лопасти битера и стержни ротора;

G - вес луковицы с ботвой и налипшей на нее почвой, Н;

Q - сила связи подкопанной луковицы с почвой, Н;

где m - масса извлекаемой луковицы, кг;

Sc - путь теребления, то есть отрезок пути луковицы в процессе извлечения ее из почвы, на котором имеют место наибольшие усилия теребления, м;

Дис - приращение скорости луковицы в направлении теребления, м/с.

Величина Дис равна разнице между скоростью теребления ит и скоростью подачи луковицы ил подкапывающей скобой вдоль направления теребления (рис. 4):

Ди = иТ -и

с Т л •

Из рис. 3.4 имеем

U = °2м + U - 2' ия- Vt ' cos (180 - ат). (9)

Применяя тригонометрический закон приведения углов для выражения (9), получим:

ис =^и2я + U + 2' Um -ит ■ cos ат . (10)

Приняв, что и = х, запишем выраже-

ние (10) в виде:

ис = 1 + X2 + 2' X-cosaT .

(11)

Рис. 4. Схема к определению силы инерции Рин луковицы

х

Скорость подачи луковицы ил подкапывающей скобой вдоль направления теребления (рис. 4) определяется выражением

иж = — = — sin а= 1 sina = uMsina, (12)

где SM=uMt- путь машины за время t, м;

Sn=uJ1t - подача луковицы по лемеху за время t, м ;

a - угол наклона лемеха к поверхности почвы, град.

Используя выражения (9) - (12), получим:

О- и]- ( (1 + Х2 + 2 • Х cos aT - sin a )

-ш -^-~ ■ (13)

2-g■Sc

Как видно из выражения (13), с увеличением скорости движения машины возрастает (пропорционально им во второй степени) сила инерции Рин извлекаемой из почвы луковицы, а следовательно, и общее сопротивление тереблению луковицы. Как показала практика, при скорости машины выше 5 км/ч сопротивление тереблению возрастает настолько, что превышает усилие разрыва ботвы /Рб/, ботва обрывается, потери лука-севка невытеребленными луковицами превышают допустимые.

Так как усилие N сжатия ботвы выка-пывающе-сепарирующим рабочим органом зависит от жесткости лопасти битера Рб и ее размеров (рис. 3), Рб ■а

— , (14)

то для надежного защемления ботвы луковицы, чтобы она не соскальзывала с рабочей поверхности лопасти битера и стержня ротора при тереблении, необходимо обеспечить следующее:

Рб *

(О+g+Рн )-b

(15)

2-а■/

где а - длина лопасти битера, не находящаяся в контакте со стержнем ротора, м; Ь - общая длина лопасти битера, м. Таким образом, силу теребления луковицы за ботву, подставляя выражение (13) в выражение (7), найдем из условия

N = -

О■ и2 и 1 + Л2 + 2-А-соэаТ - эта) Р = О+< +-^-'- <\Рб ]

* 2-g■Sc .

(16)

Для определения радиуса ротора вы-капывающе-сепарирующего рабочего органа рассмотрим процесс теребления луковицы, расположенной над задней кромкой рабочей поверхности скобы, то есть время схода подкопанного пласта почвы с подкапывающей скобы.

Абсолютная скорость движения луковицы ил при тереблении (рис. 5) будет складываться из скоростей движения машины им и линейной скорости вращения выкапывающе-сепарирующего рабочего органа иТ, направленной под углом аТк горизонтали.

Рис. 5. Схема к определению радиуса ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа

Величину угла аТ можно определить

(17)

как еоэат = —, откуда

ит л

1

аТ = агееоэ—

Т Л ,

где Л - показатель кинематического режима выкапывающе-сепарирующего рабочего органа.

Как показали исследования физико-механических свойств лука-севка, при тереблении луковицы за ботву наибольшая прочность пучка ботвы находится в нижней трети, поэтому принимаем, что точка захвата ботвы выкапывающе-сепарирующим рабочим органом будет равна 1/31 бот от вешки луковицы.

Ботва лука-севка, зажатая лопастью битера и стержнем ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа, перемещается по направлению скорости ис. Теребление закончится в тот момент, когда точка захвата ботвы С переместится на расстояние СК, равное глубине залегания луковицы Лл.

Так как иТ лежит на касательной окружности ротора с точке С, то отрезок СОр является перпендикуляром иТ и арсор = 90°.

Тогда

АОрСС1 = 180° - аТ - 90° = 90° - ат = а1 . (18)

Из прямоугольного треугольника АСС1Ор угол АС1ОрС=аТ.

В треугольнике АСОрК

АСОрК = АСО^ + АSОРК , (19)

где АСОрБ=а1 как накрест лежащие углы;

АБОрК=АКОбМ как накрест лежащие углы.

АКО6М = АКОбД + АДОбМ . (20)

Из прямоугольного треугольника АСКОб

эт(К°бС) = ОС = К-, (21)

где Ьл - глубина залегания луковицы, м;

I- радиус ротора, м.

Н

АКОбС = агевш -л- . (22)

В равнобедренном треугольнике АСОбД угол АКОбД=АКОбС=р,

Н

АЦОбМ = 90° - т1г - 2агс8т-л , (23)

Кб

где т1 - угловая скорость битера, с-1;

- угол, на который за промежуток времени t точка О1 переместится, вращаясь равномерно с угловой скоростью ти в положение С.

АДОбС = ®гх,

где т^ - угол, на который за промежуток времени t1 точка С переместится, вращаясь равномерно с угловой скоростью т1, в положение Д;

Н

Если 0 < АДО6С < 2агсзт-л , то Кб

Н Н

АКОбМ = агсэш + 90° - со11 - 2 агеэш =

Кб Кб Н

(24)

= 90° -тЛ - агеэш^-1 Кб

Н

(25)

и АSOpК = 90° - Ю1/ - агеяп-. .

Кб

Подставляя выражения (25) и (18) в выражение (19), получим

Н

АСОрК = 180° - т^ -ат - агсяп-^ . (26)

Кб

Из прямоугольного треугольника АСКОр

СК

(ОрК )

СОр ■

(27)

Выразив из выражения (27) СОр и подставив в него значение выражения (26), получим:

со„

ск

к

81п(асорк) . (1опо . ня л

в1п |^180°-т1Г - а - агев1п -Rl■j

. (28)

Так как СОр=Рр, то радиус ротора найдем из выражения

кр = —(

н.

н Л '

в1П| 180° - т^ - ат - штат-. I

V Кб)

(29)

Межосевое расстояние битера и ротора (рис. 5) найдем из выражения

Ь = О6К + ОрК

АСКОр:

(30)

Величину отрезка ОрК найдем из

СК

tg (АСОрК ) =

ОК ■

(31)

Выразив из выражения (31) ОрК и подставив в него выражение (26), получим:

КО =-

Н.

tg| 180° - т^ - а ~ агсэш-. I V Кб)

о ■

Кб

(32)

Длину отрезка ОбК найдем из прямоугольного треугольника АСКОр:

ОбК = л/Кб - к .

(33)

Подставляя выражения (32) и (33) в выражение (30), получим межосевое расстояние битера и ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа:

ь ЧК - Н2 +

1---ГГ . (34)

tg I 180°-®^ -а- агеэт— |

V 1 т Яб)

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. Хвостов, В. А. Проектирование ово-щеуборочных машин (теория, конструкция,

расчет) / В. А. Хвостов, Н. П. Ларюшин: учебное пособие. - Пенза, 1994. - 168 с.

3. Ларюшин, Н. П. Комплекс машин для производства лука. Теория, конструкция, расчет / Н. П. Ларюшин, А. В. Поликанов, О. Н. Кухарев, А. М. Ларюшин и др.: учебник. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. - 248 с.