Теоретическое обоснование резания стеблей шнековым режущим аппаратом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

1

УДК 631.352

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЗАНИЯ СТЕБЛЕЙ ШНЕКОВЫМ РЕЖУЩИМ АППАРАТОМ

Труфляк Ирина Сергеевна, старший преподаватель

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

В данной работе представлено теоретическое обоснование процесса резания стеблей многофункциональным универсальным режущим аппаратом нового типа.

Ключевые слова: РЕЖУЩИЙ АППАРАТ, ШНЕК, КОСИЛКА, ЖАТКА

UDC631.352

THEORETICAL BASIS CUTTINGSCREWSTEMS CUTTERBAR

Truflyak Irina Sergeevna, senior Lecturer

KubanStateAgrarianUniversity, Krasnodar, Russia

Thispaper presents atheoretical justification forthe process of cutting the stemsmulti functional versatile new type of cutting system.

Keywords: CUTTING UNIT, AUGERS, MOWERS, HEADER

В целях повышения эффективности работы уборочной техники необходимо совершенствовать технологии и технические средства. В современных экономических и экологических условиях увеличение производства не может быть достигнуто только за счет расширения площадей посевов. Кроме того, резервы наращивания и интенсификации земледелия исчерпаны, так как экологическая обстановка и без этого напряжена. Выходом из создавшейся ситуации может быть использование принципов энергосбережения, универсальности и многофункциональности.

На основании проведенного обзора конструкций существующих режущих аппаратов нами предлагается режущий аппарат, который в себе содержит элементы как сегментных, так и ротационных аппаратов (рисунок

1) [2; 3; 5; 6]. Противорежущая часть аппарата представляет собой различные элементы - вырезы в корпусе, пластины, сегменты. Режущей частью является шнек.

Срезающие устройства машин должны выполнять чистый срез растений без смятия, разрывов, затягивания и выскальзывания их из-под лезвий

[4].

2

Закрытого

типа с протиВорежущими элементами В корпусе

Открытого типа с палоВинными сегментами

Открытого типа с палоВинными сегментами и режущей кромкой на шнеке

\ (

> 5 i

Ь

ЖжжжжжЬ

Рисунок 1. Классификация режущих аппаратов с учетом предлагаемых новых технических решений

При работе предлагаемого аппарата стебли растений заводятся между витком шнека и лезвием сегмента.

Предположим, что в определенный момент времени точка режущей кромки лезвия «а» перемещает стебель по направлению вектора скорости VH (рисунок 2).

Рисунок 2. Определение условия скольжения а<ср\ а - угол между лезвием и направлением движения машины; Ф - угол трения лезвия ножа по разрезанному материалу

3

Пусть угол а будет меньше угла трения ф лезвия ножа по разрезаемому материалу: а < ф. Виток шнека давит на перерезаемый материал по нормали N.

Рассматривая действие этой силы, разложим ее по направлению движения витка на составляющие Nv и N Рассмотрим действие этих сил порознь. Если точка шнека «а» встретила на своем пути стебель «т», то сила Nv стремится стебель «т» переместить вместе с ножом, сила N стремится стебель сместить вдоль витка шнека. Может ли стебель «т» скользить вдоль витка шнека, это зависит от того, способна ли сила трения уравновесить силу Nx. Для того чтобы стебель «т» скользил под действием силы ^по витку шнека, сила Nx должна преодолеть силу трения F. Наибольшая возможная сила трения Fmax при данном нормальном давлении N и угла трения ф будет:

Fmax Ntgф,

N = Ntga.

Так как а<ф, то N меньше предельного, наибольшего возможного значения силы трения Fmax. При этих условиях сила трения F, действующая на стебель «т» в сторону, противоположную силе N^ равной силе N = Ntga, а не максимально возможной силе трения Fmax= Ntgф, так как всякая сила реакции равна той силе, которой она возбуждена, т.е. F = -Ntga. Если а < ф, то никакого скольжения витка шнека по стеблю не будет.

Рассмотрим условия, когда а = ф. В этом случае N = Fmax. Силы FmaxM Nj. полностью уравновешиваются взаимно. Стебель «т» будет перемещаться по направлению оси шнека.

Резание будет происходить в случае, когда а>ф (рисунок 3, 4). Разложим силу N на Nv и Nx . Может ли в этом случае сила N заставить стебель «т» скользить по лезвию ножа? Это зависит от того, окажется ли сила N

4

больше силы трения, которая будет развиваться при скольжении частицы материала по лезвию.

Но, так как а>ф, то Ntga>Ntgp, т.е. Nx >Fmax. Значит, стебель окажется под воздействием двух сил: N и Fmax, так как они действуют одновременно и совместно, то можно сложить их геометрически.

Рисунок 3. Определение N

Рисунок 4. Определение условия скольжения а> ф

Получим их равнодействующую R (рисунок 5), направленную под углом ф к нормали n-n.

5

Рисунок 5. Определение равнодействующей R

Следовательно, частица будет перемещаться под действием (и по направлению) силы R, пока не перережется. Причем, виток шнека будет перемещаться по направлению скорости Уи, а стебель «т» - по направлению силы R. Из схемы следует, что в процессе резания, которое сопровождается смятием материала под давлением витка шнека, происходит скольжение стебля.

Итак, для резания в предлагаемом аппарате со скольжением должно

выполняться условие: направление скорости лезвия должно составлять к

нему угол больший, чем угол трения материала по витку шнека.

UpTR = 15° агл > 15°

( ^н = 46° ан > 46°

Пшеница

Гладкое лезвие ц>= 15°

Насеченное лезвие ^=46°

Условия резания стеблей шнековым режущим аппаратом для пшеницы:

у = 90 — а

Угл = 90 — (15° и Т) = Угл < 75° ун = 90 — (46° и Т) = ун < 44° где у- угол наклона витка шнека.

6

Условия резания стеблей шнековым режущим аппаратом для кукурузы:

Угл(кук) = 90 - 10,5 = 80°

7н(кук) = 90 - 42 = 48°

Коэффициент скольжения:

а г т г

am - путь, проходимый перерезаемым материалом по лезвию со скольжением;

am! - единица деформации материала.

В ДатУ

по теореме синусов:

7

a'm' am' am'

sin(a — ю) sin(90° — a) cosa

sin(a — ю)

£ =-----------

cosa

£ тем больше, чем больше а, и если a = ю, то £ = 0.

Рисунок 7. Схема определения работы, затрачиваемая на перерезание

1см2 материала

Определим работу, затрачиваемую на перерезание 1 см материала при использовании режущей кромки на витке. Представим прямолинейный отрезок витка шнека по длине, равный 1см. Допустим, что лезвие разрезает материал со скольжением, тогда необходимо, чтобы a > ю. Значит, виток будет двигаться под углом а к нормали, причем большим угла ю.

Следовательно, 1 см длины шнека перережет (переместит) полосу

шириной h = 1 • cosa с силой резания 1 = 32—. Для вычисления работы

силы нужно определить проекцию этой силы на направление пути точки ее приложения:

Ncos(a — ю)

= Rcos(a — ю) =-----------

cos^

9

8

Найдем путь, который должен совершать отрезок витка шнека, что-

2

бы резать материал 1см . Площадь разреза выражается площадью параллелограмма с высотой h и основанием l, так как h • l = 1см , а h = 1 cos а , то

11

1=т =----, см

h cosa

Работа резания:

E = R-l = Ncos(a->} ,Дж.

cos>• cosa

В результате углы наклона лезвий составляют: для пшеницы - не более 75о (гладкое лезвие) и 44о (насеченное лезвие); для кукурузы - не более 80о (гладкое лезвие) и 48о (насеченное лезвие).

После проникновения лезвия в материал грани клина сегмента вступают во взаимодействие с ним, при этом в зависимости от свойств разрезаемого материала они могут содействовать резанию или тормозить его.

Стебли сельскохозяйственных растений состоят из клеток, которые располагаются в определенном порядке, образуя ткани. Механические проводящие ткани главным образом определяют прочность стебля.

Выделим главные сопротивления, которые преодолевает нож при резании сегментом предложенного режущего аппарата.

Рассмотрим сегмент, у которого угол заострения g увеличен с каждой стороны на угол трения j, считая его одинаковым для обеих сторон (рисунок 8).

Нормальные давления, приложенные к граням сегмента, будут равны

N

cos j

и

N .

cos j

9

а

б

Рисунок 8. Силы, действующие на сегмент при резании в шнековом режущем аппарате:

а - с односторонним сегментом; б - односторонним сегментом без передней грани

Из треугольника B1C1D1: С\В\ =

cos j

sin j

Из треугольника ABD: l BAD = 90 - g - j; l ABD = g + j. Из треугольника BCD: lDBC = 90 - g - j; l BCD = g + j;

N

DB= -#—„в[п(г+ jj; Ni = cos j

cosj COS j

cos( g+j) .

Спроектируем силы на ось Х-Х:

N

P = Po +

P = P + N

N

■ sin j + cos j cosj

sin(g + 2 j)

2

cos j

sin(g+ j).

(1)

10

где P0 - сопротивление лезвия проникновению в стебель, которое зависит только от толщины лезвия и направлено перпендикулярно к нему;

N и N1 - нормальные давления перерезаемых и смятых волокон стебля о щеки сегмента.

Анализируя выражение (1), можно утверждать, что чем меньше толщина передней грани сегмента и меньше угол g , тем меньше сила Р.

В случае, представленном на рисунке 8, б, сопротивление Р0 в случае уборки зерновых колосовых культур при наличии специальных делителей по нашей разработке будет незначительным и им можно пренебречь, тогда выражение будет иметь вид:

Р = N sin(g + 2j) cos2 j

(2)

В предлагаемом режущем аппарате рассмотрим резание условно тонких и толстых стеблей (рисунок 9).

б

Рисунок 9 - Силы, действующие на сегмент при резании в шнековом

режущем аппарате:

а - тонких стеблей; б - толстых стеблей Из схемы действия сил на сегмент (рисунок 10):

11

Ру = ро cosg. (3)

g

Р = Ро c°s№ -г. (4)

где Ро = Nmax - сила резания стебля одним лезвием, когда угол наклона сегмента g = 0о;

N - нормальные давления перерезаемых и смятых волокон стебля на грани сегмента;

N1 - нормальные давления перерезаемых и смятых волокон стебля на поверхности сегмента.

Рисунок 10. Силы, действующие на сегмент при резании

12

В результате действия нормальных давлений N и N1 возникают силы трения F и F1 на гранях заточки сегмента и на поверхности сегмента.

Если пренебречь силой трения спинки ножа о направляющие, а при срезе тонкого стебля силой 2F, то:

N p

P1 = Ро cos g+-— Sin(— -S + 2j). (5)

cos j 2 w

где j - угол трения перерезанных волокон стебля о поверхность сегмента.

Из формулы (5) следует, что с увеличением угла g наклона лезвия сегмента уменьшается сила резания.

При статическом действии силы невозможно перерезать стебель в строго вертикальном положении без опоры; обязательно он должен отгибаться в сторону резания, так как только тогда появится реакция стебля Nto отношению к режущему аппарату, для преодоления которой необходимо приложить к ножу в горизонтальном направлении силу Р (рисунок 11).

Г оризонтальная сила Р, которая возникает при отклонении стебля:

Р = N (cosJ + tgj sin J). (6)

Рассмотрим различные случаи установки сегментов в режущих аппаратах по отношению к горизонту (рисунок 12).

13

Рисунок 11. Действие сил на сегмент при отгибе стебля в шнековом

режущем аппарате:

а - сегмент, копирующий форму витков шнека; б - сегмент, повернутый на 180о

Рисунок 12. Случаи установки сегментов при резании: а - стандартная установка; б - в шнековом режущем аппарате с поворотом на 180о; в - в шнековом режущем аппарате изогнутые по форме шнека

14

Проникновение лезвия в стебель возможно в том случае, если перерезаемые волокна легко скользят по верхней части сегмента в направлении, обратном его движению.

Резание стебля в случае, показанном на рисунке 12 в, будет самое благоприятное, поскольку скольжение перерезанных волокон стебля по поверхности ножа a+J>j выполнить значительно легче за счет приподнятая (изгиба) лезвия на угол а по отношению к горизонту.

Стебли хлебных злаков и, особенно, трав оказывают незначительное сопротивление изгибу, поэтому резание при статическом действии силы возможно очень острым режущим инструментом и с низкой производительностью. Обычно резание стеблей сопровождается динамическим действием режущего аппарата.

Условие среза стебля при действии на него режущего аппарата без учета сопротивления воздуха и сопротивления отклонению стебля со стороны рядом стоящих стеблей:

R <P + Рин , (7)

где Rs - сила перерезания стебля;

Риз - сопротивление стебля изгибу;

Рин - силы инерции стебля.

Рассмотрим срез свободно стоящего стебля как балку, жестко закрепленную в основании и подвергающуюся действию силы Rs со скоростью VH на высоте резания H (рисунок 13).

15

Рисунок 13. Схема резания стебля с одной опорой

Скорость витка шнека, необходимую для перерезания стебля с одной опорой, получим, допустив жесткую заделку стебля у опоры.

Тогда

R <

3УШ DtEJ

d3

тУш

At

У \______s____

ш 3AtEJ т . (8)

----г-1----

d3 At

В данной работе представлено теоретическое обоснование резания стеблей многофункциональным универсальным режущим аппаратом сегментно-ротационного типа. Данный аппарат может быть использован для среза трав и зерновых культур.

Определены углы наклона лезвий сегментов режущего аппарата: для пшеницы - не более 75о (гладкое лезвие) и 44о (насеченное лезвие); для кукурузы - не более 80о (гладкое лезвие) и 48о (насеченное лезвие).

16

Список литературы

1. Босой Е.С. Режущие аппараты уборочных машин / Е.С. Босой. - М.: Машиностроение, 1976. - 167 с.

2. Пат. 2513421 РФ, МПК А 01 D 34/00, А 01 D 34/43. Шнековый режущий аппарат / И.С. Труфляк; заявитель и патентообладатель КубГАУ. - № 2012148641/13; заявл. 15.11.2012; опубл. 20.04.2014.Бюл. № 11.

3. Трубилин Е.И. Альтернативный режущий аппарат механических косилок / Е. И. Тру-билин, И.С. Труфляк, Е.В. Труфляк // Техника и оборудование для села. - 2012. - № 2 (188). - С. 10-12.

4. Трубилин Е.И. Машины для уборки сельскохозяйственных культур / Е.И. Трубилин, В. А. Абликов. - Краснодар, 2010. - 235 с.

5. Труфляк И.С. Новый режущий аппарат косилок / И.С. Труфляк, Е.И. Трубилин // Материалы VI всероссийской научно-практической конференции молодых ученых / КубГАУ. - Краснодар, 2012. - С. 370-371.

6. Труфляк И.С. Шнековый режущий аппарат / И.С. Труфляк, Н.Н. Бульдяев, Е.В. Труфляк // Материалы научной конференции факультета механизации. - Краснодар, 2012. - С. 31-35.

References

1. Bosoy E.S.Cutterssweepers/E.S.Bosoy.- Moscow:Mashinostroenie, 1976. - 167pages.

2. Patent2513421RF, IPCA 01D34/00, A 01D34/43. Screwcuttingmachine /I.S.Truflyak;

applicant and patenteeKubGAU.- №2012148641/13; appl. 15.11.2012; publ.

20.04.2014.Byul.Number11.

3. TrubilinE.I.Alternative cuttingmachinemechanicalmowers/E.I.Trubilin,

I.S.TruflyakE.V.Truflyak//Machinery and equipmentfor the village. - 2012. - № 2 (188).-Pages.10-12.

4. TrubilinE.I.Machines for harvestingcrops/E.I.Trubilin, V.A.Ablikov. - Krasnodar,2010. -235pages.

5. TruflyakI.S.Newcutterbarmower/I.S.Truflyak,E.I.Trubilin//Proceedings of the VIAll-Russian scientific-practical conference of young scientists/KubGAU. - Krasnodar,2012. -S.370-371.

6. TruflyakI.S.Screwcuttingmachine /I.S.Truflyak,N.N.Buldyaev,E.V.Truflyak//Proceedings of the conferencefacultymechanization.- Krasnodar,2012. -Pages.31-35.