CC BY
22
УДК 631.363
УРАВНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА ОБМОЛАЧИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ТИПА ЛИНИИ ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ЛЬНА «VAN DOMMELE»
В. А. ШАРШУНОВ, А. С. АЛЕКСЕЕНКО, С. В. КУРЗЕНКОВ, В. А. ЛЕВЧУК, М. В. ЦАЙЦ
УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», г. Горки, Беларусь, 213407, e-mail: [email protected]
(Поступила в редакцию 25.09.2017)
Задачи по совершенствованию машин и оборудования, разработка новых для очеса и выделения коробочек и семян льна, являются актуальными. В связи с этим возникает необходимость исследования эффективности процесса очеса и выделения семян льна на основе исследования процесса взаимодействия различных типов рабочих органов с льноматериалом, теоретического и экспериментального обоснования рациональных значений основных конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих высокую производительность машин без снижения качества обрабатываемого материала. В Белорусской государственной сельскохозяйственной академии разработана новая конструкция обмолачивающего устройства колебательного типа линии первичной переработки льна фирмы «Van Dommele». Особенность ее конструкции заключается в том, что устройство оснащено сепарирующей решеткой (декой), рабочая поверхность которой расположена ниже оси зажимного транспортера и полиуретановым эластичным рабочим органом (бичем) с зубчатой рабочей поверхностью, траектория движения которого копирует форму решетки. За счет эластичности рабочего органа исключается возможность обрыва и выдергивания перепутанных стеблей льна, уменьшается повреждение стеблей, что позволяет увеличить выход и номерность получаемого волокна, а также конструкция позволяет увеличить зону обмолота, уменьшить толщину обмолачиваемого слоя в зоне обмолота, а за счет зубчатой поверхности рабочего органа частично выравнивать верхушечную часть стеблей, снизить потери семян сходом с лентой льна и уменьшить степень их травмирования. Процесс обмолота во многом зависит от движения элементов обмолачивающего устройства и, в частности, рабочего органа. От траектории его движения, а также скорости и ускорения зависит качество и полнота выделения коробочек и семян из ленты льна. Поэтому в рассмотренной статье приводится методика расчета и анализа движения элементов обмолачивающего устройства, которая позволяет связать конструктивные его параметры с кинематическими параметрами движения его рабочего органа. Результаты этой методики могут быть использованы при проведении теоретических и планировании экспериментальных исследований обмолачивающего устройства колебательного типа.
Ключевые слова: лен, очесывающее устройство, обмолачивающее устройство, коробочки льна, семена льна, ворох льна, обмолот, очес, лента льна, линия первичной переработки льна.
The tasks of improving machines and equipment, and developing new ones for combing and isolating boxes and seeds of flax, are relevant. In this connection, it becomes necessary to examine the effectiveness of the process of combing and isolating offlax seeds, on the basis of studying the process of interaction of various types of working organs with flax, and theoretically and experimentally substantiate the rational values of the main design and technological parameters that ensure high productivity of machines without reducing the quality of the processed material. The Belarusian State Agricultural Academy has developed a new design for the threshing device of oscillatory type of the line of primary flax processing of the firm "Van Dommele ". The peculiarity of its design is that the device is equipped with a separating grate (deck), the working surface of which is located below the axis of the clamping conveyor and a polyurethane elastic working organ (beater) with a toothed working surface, the trajectory of which copies the shape of the grate. Due to the elasticity of the working organ, the possibility of breaking and pulling out of confused flax stems is eliminated, damage to the stems is reduced, which will increase the yield and number of the resulting fiber, and also the construction allows increasing the threshing zone, reducing the thickness of threshed layer in the threshing zone, and due to the toothed surface of the working organ partially leveling the apex of the stems, reducing the loss of seeds when they go with the flax band, and reducing the degree of their injury. The process of threshing largely depends on the movement of elements of the threshing device and in particular the working organ. From the trajectory of its movement, as well as speed and acceleration, the quality and completeness of separation of boxes and seeds from flax band depends. Therefore, in the article considered, a technique is given for calculating and analyzing the movement of elements of the threshing device, which allows us to relate its design parameters to the kinematic parameters of movement of its working organ. The results of this technique can be used in theoretical research and in the planning of experimental studies of the threshing device of oscillatory type.
Key words: flax, combing device, threshing device, flax boxes, flax seeds, flax heap, threshing, combing, flax band, the line of primary flax processing.
Введение
Важную роль в решении проблем обеспечения устойчивого и эффективного развития АПК призвана сыграть льноводческая отрасль. Льноводство является одной из важнейших отраслей сельского хозяйства нашей страны и имеет большое значение для развития экономики сельскохозяйственных предприятий. Подходящие почвенные и климатические условия, материально-техническая база, подготовленные кадры и благоприятная конъюнктура мирового рынка дают основания считать, что производство льна у нас экономически выгодно [1]. Особое место в технологии возделывания льна принадлежит семеноводству. Стратегической задачей семеноводства является исключение потерь семян, а также снижение энергоемкости при переработке льновороха. Однако несмотря на все принимаемые меры, льноводство в течение последних лет является низкорентабельной отраслью. Это обусловлено значительной трудоемкостью возделывания льна, недостаточным уровнем механизации ряда технологических процессов, а также нехваткой семян высоких посевных кондиций, которые приходится закупать за рубежом. Нынешнее кризисное положение в льняном подкомплексе АПК ослабляет по-
зиции Беларуси на мировом рынке льнопродукции и требует принятия мер по дальнейшему развитию льноводства [2].
Задачи по совершенствованию машин и оборудования, разработка новых для очеса и выделения коробочек и семян льна, являются актуальными. В связи с этим возникает необходимость исследовать эффективность процесса очеса и выделения семян льна, на основе исследования процесса взаимодействия различных типов рабочих органов с льноматериалом, теоретически и экспериментально обосновать рациональные значения основных конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих высокую производительность машин без снижения качества обрабатываемого материала. Для решения этой задачи ведутся работы по созданию новых и совершенствованию существующих машин. Однако разработка высокопроизводительных, надежных, с высокими показателями качества работы машин для условий Республики Беларусь сдерживается отсутствием научно обоснованных конструкторских и технологических решений [3].
Основная часть
Основополагающим действием в процессе выделения семян льна обмолачивающим устройством в линии первичной переработки является движение рабочего органа. От траектории его движения, а также скорости и ускорения зависит качество и полнота выделения коробочек и семян из ленты льна. Поэтому рассмотрим движение элементов предлагаемого обмолачивающего устройства, конструкция и принцип работы которого были подробно представлены в работах [4-6]. Сделаем привязку рабочего органа к декартовой системе координат (рис. 1). Рабочий орган расположен в точке С. Уравнение движения точки С зависит от схемы и геометрических параметров механизма обмолачивающего устройства.
Рис. 1. Схема обмолачивающего устройства колебательного типа линии первичной переработки льна «Van Dommele»: 1 - кривошип; 2 - шатун; 3 - коромысло; 4 - стойка
Поскольку отрезки АС и АВ принадлежат одной прямой, т.е. С - крайняя точка продолжения шатуна АВ, то для определения уравнения ее движения необходимо рассмотреть уравнение движения шатуна АВ. Так как общая точка А кривошипа ОА и шатуна АВ совершает вращение вокруг оси симметрии О по окружности радиуса R с постоянной угловой скоростью ю, то угол поворота кривошипа Ф рад. в зависимости от времени определяется выражением:
Ф = (1)
где ю - угловая скорость вращения кривошипа ОА, рад/с; t - время, с.
Тогда на основании приведенной на рис. 1 схемы механизма обмолачивающего устройства траектории движения граничных точек А и В шатуна определяются следующими параметрическими уравнениями:
I хл (t) = R ■ cos(roí);
A: I A () ( 7; (2)
IУ A (t) = R ■ sin (roí),
B:
\xB = a - Ri • cos (8(t));
(3)
[ув = b + R • sin (8(t)),
где R - длина кривошипа ОА, м; R¡ - длина коромысла 501, м; а - горизонтальное смещение точки О1 относительно центра вращения кривошипа О, м; b - вертикальное смещение точки О1 относительно центра вращения кривошипа О, м; 5 - угол поворота коромысла относительно горизонтали, град; 5(0 - функциональная зависимость угла поворота коромысла относительно горизонтали, рад.
Используя параметрические уравнения (1) и (2) для определения координат перемещения концов шатуна АВ, найдем координаты соответствующего ему вектора AB :
AB (a - R1 • cos (8(0) - R • cos (rot); b + R1 • sin (8(0) - R • sin (rot)) . (4)
На основании (4) длину шатуна АВ (l, м) можем определить как длину вектора AB. Найдем квадрат этой величины по формуле:
l2 = xAB + yAB =( a - Ri • cos (8(0)- R • cos (rot ))2 +(b + R1 • sin (8(0)- R • sin (rot ))2
или
l2 = a2 + R12 • cos2 (8(t))+R2 • cos2 (rot) - 2a • R1 • cos (8(t)) - 2a • R • cos (rot) + 2R1 • R • cos (8(t)) • cos (rot) + b +R2 • sin2 (8(t)) + R2 • sin2 (rot) + 2b • R1 • sin(8(t)) - 2b • R • sin (rot) - 2R1 • R • sin (8(t ))• sin (rot).
+ b" +
Уравнение (5) можно записать в виде:
l2 - a2 - R12 - R2 + 2a • R • cos (rot) + 2b • R • sin (rot) = cos (8(t)) • (2R1 • R • cos (rot)- 2a • R1) + sin (8(t))
•( 2b • R1 - 2R1 • R • sin (rot)).
Элементарными преобразованиями уравнение (6) сводится к виду
,2 2
(5)
(6)
l2 - a2 - R12 - R2 + 2a • R • cos (rot) + 2b • R • sin (rot) = 2 • R1 •(( R • cos (rot)- a )• cos (8(t )) + (b - R • sin (rot )• sin (8(t)))),
а затем с учетом формулы преобразования суммы тригонометрических функций [7, 8] оно трансформируется в следующее уравнение:
2R1 • P • sin (8(t) + <Pq ) = l2 - a2 - R12 - R2 + 2a • R • cos (rot) + 2b • R • sin (rot), (7)
где P = ^(b - R • sin (rot))2 + (R • cos (rot) - a)2 ,м2;
R • cos (rot)-a
рад.
yj(b - R • sin (rot ))2 + (R • cos (rot)-a)
Разрешив уравнение (7) относительно 5, получим:
( \
l2 - a2 - R2 - R2 + 2a • R • cos (rot) + 2b • R • sin (rot)
2 • R1 ^(b - R • sin (rot ))2 +(R • cos (rot)-a )2
8(t ) =
R • cos (rot)- a
^(b - R • sin (rot ))2 + (R • cos (rot)-a)2
(8)
Так как кривошип ВС имеет жесткую, цельную конструкцию, шарнирно соединенную с кривошипом ОА, то положение его точки С однозначно определяется координатами точек А и В, длиной шатуна АВ, равной I, и удалением рабочего органа от точки А, которое примем равным 11. Тогда координаты точки С в системе координат хОу с учетом координат точек А (уравнение (2)) и В (уравнение (3) при условии(8)) в этой же системе координат можно записать системой параметрических уравнений:
ХС (t ) = Ус(t
(l +11 )• xA (tl1 • xB (t) ' l ' (l +11 )• Уа (t)-lj • yB (t)
(9)
Графическая интерпретация уравнений (2), (3) и (9) представлена на рис. 2. Для этого были зафиксированы значения следующих параметров: длина кривошипа ОА (Я = 0,3 м), длина кривошипа ВС условно разбитого на АВ и АС (I + 11= 0,808 + 0,4 = 1,208 м), длина коромысла О1В (Я; = 0,95 м), горизонтальное смещение точки О1 относительно центра вращения кривошипа О (а = 0,95 м), вертикальное смещение точки О1 относительно центра вращения кривошипа О (Ь =0,75 м).
- arcsin
l
м/с
- - траектория движения точки А
-траектория движения точки В
......—- ■ - траектория движения точки С
Рис. 2. Графики траекторий движения исследуемых точек звеньев обмолачивающего устройства
Анализ графического отображения траекторий движения точек В, А и С свидетельствуют о правильности определения аналитических зависимостей, так как точка А движется по окружности с постоянным радиусом, равным длине кривошипа Я отдаленным от центра О, точка В движется по дуге с постоянным радиусом, равным длине коромысла Я1 относительно точки Оь а точка С - шатунная кривая, являющаяся алгебраической кривой шестого порядка описывает траекторию близкую по форме к эллипсу. График изменения скорости движения точки С (рабочего органа), при угловой скорости вращения кривошипа ОА ю = 29,3 рад/с за один оборот кривошипа ОА представлен на рис. 3.
У, м
14
0.1
0.2
г, с
Рис. 3. График изменения скорости движения точки С Важной кинематической характеристикой анализируемого механизма колебательного типа является проворачиваемость его звеньев, которая зависит от соотношения длин звеньев. Рассматривая
плоский шарнирный четырехзвенник ОАВО1 (рис. 1) с длинами звеньев Я, I, Я1 и л/а2 + Ь2 . Для того чтобы звено ОА могло стать кривошипом, оно должно при вращении последовательно пройти через крайние положения ОА0 и ОАк.
Предполагая, что Я - длина самого короткого звена, ^а2 + Ь2 - самого длинного, и используя известное соотношение между длинами сторон треугольника (длина стороны треугольника меньше суммы двух других сторон), запишем следующие неравенства: из АА0В0О1
4а2 + Ь2 +Я < I+Я1, (10)
из ААкВкО1
X, м
•J a2 + b2 - R < l +R . (11)
Независимо от соотношения длин l и Rj неравенство (10) всегда обеспечит выполнение неравенства (11).
Следует отметить, что работоспособность механизма предлагаемого обмолачивающего устройства колебательного типа сохраняется при соблюдении следующих условий:
R < R1. (12)
Учитывая, что самым длинным звеном является звено OiB, то неравенство (10) и (11) усиливаются.
R + Д < l < R1, (13)
где Д1 - расстояние между окружностями описываемыми точками А и В, которое можно определить как:
Д = Va2 + b2 - R - R . (14)
При этом Д1 не может иметь отрицательное значение.
Условие (12) с учетом (13) будет иметь вид:
4 a2 + b2 - Rj < l < Rj. (15)
Анализируя графическую зависимость (рис. 3), можно отметить, что в любом положении механизма абсолютная скорость рабочего органа vC не превышает критической скорости удара по массе, при которой начинается разрушение семян (критическая скорость находится в пределах 17-28 м/с) [9].
Заключение
Таким образом, рассмотренная в работе методика расчета и анализа позволяет связать конструктивные параметры исследуемого обмолачивающего устройства колебательного типа линии первичной переработки льна с кинематическими параметрами движения его основных элементов. Полученные результаты могут быть использованы при проведении теоретических и планировании экспериментальных исследований обмолачивающего устройства колебательного типа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кругленя, В. Е. Результаты испытаний обмолачивающего устройства в линии первичной переработки льна фирмы «Van Dommele» / В. Е. Кругленя, В. А. Левчук, М. В. Левкин // Вестник БГСХА. - 2013. - №3. - С. 127-131.
2. Шаршунов, В. А. Исследование обмолачивающего устройства в линии первичной переработки льна / В. А. Шар-шунов, В. Е. Кругленя, А. С. Алексеенко, В. А. Левчук, М. В. Цайц // Весщ НАН Беларуси Сер. аграр. навук. - 2015. - № 3. - С. 112-117.
3. Алексеенко, А. С. Теоретическое обоснование диаметров и угла установки очесывающих барабанов для очеса лент льна / А. С. Алексеенко, М. В. Цайц, В. А. Левчук // Вестник БГСХА. - 2017. - №1. - С. 118-123.
4. Левчук, В.А. Обмолачивающее устройство в линии первичной переработки льна фирмы «Van Dommele» / В. А. Левчук // Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: материалы междунар. науч.-техн. конф. молод. ученых, Могилев, 17-18 ноября 2011 г. / М-во образования и науки Рос. Федерации, Белорус.-Рос. ун-т; редкол.: И. С. Сазонов [и др.]. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2011. - С. 220.
5. Устройство для отделения семенных коробочек от стеблей льна : пат. 7224 Респ. Беларусь, МПК А 01F 11/00 / В. Е. Кругленя, М. В. Левкин, В. И. Коцуба, С. Н. Крепочин, В. А. Левчук ; заявитель Белорус. гос. с.-х. акад. - №u20100607; заявл. 06.07.10 ; опубл. 02.02.11 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2011. - № 2. - С. 154.
6. Устройство для обмолота коробочек льна: пат. 8494 Респ. Беларусь, МПК А0№ 11/02 / В. Е. Кругленя, М.В. Левкин, В.А. Левчук ; заявитель Белорус. гос. с.-х. акад. - №u20110746 ; заявл. 29.09.11 ; опубл. 04.08.12 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2012. - №4. - С. 177.
7. Корн, Г.А. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. А. Корн, Т .М. Корн; под общ. ред. И. Г. Арамановича.-М.: Наука, 1984. - 831 с.
8. Воднев, В. Т. Основные математические формулы: справочник / В. Т. Воднев, А. Ф. Наумович, Н. Ф. Наумович; под ред. Ю. С. Богданова. - 2-е изд., испр. и перераб. - Минск: Вышэйшая школа.
9. Шаршунов, В. А. Основы расчета рабочих органов машин и оборудования для производства семян льна: монография / В. А. Шаршунов, В. Е. Кругленя, А. Н. Кудрявцев, А. С. Алексеенко, М. В. Цайц, В. А. Левчук, М. П. Акулич. -Горки: БГСХА, 2016. - 156 с.
