CC BY
74
Влияние фронтального угла поворота режущего аппарата на мощность привода ножа
М.М. Константинов, д.т.н., профессор, Оренбургский ГАУ; М.А. Мазитов, к.т.н, Филиал РГУнефти и газа имени И.М. Губкина в г. Оренбурге; П.А. Косов, ассистент, П.С. Минин, ассистент, А.П. Ловчиков, д.т.н., профессор, Челябинская ГАА
Современные тенденции развития уборочной техники в сельском хозяйстве связаны с увеличением поступательной скорости уборочных агрегатов, вызванным необходимостью повышения их производительности, что позволяет сократить количество единиц агрегатов, занятых в уборочном процессе. Сокращение количества техники в уборочный период диктуется нехваткой (дефицитом) машинистов-трактористов высокой квалификации.
Повышенные скорости движения машины накладывают специфику на конструктивнокинематические параметры уборочной техники. Например, для валковых жаток и жатвенных частей комбайнов (жатка-хедер) при повышенной поступательной скорости движения (около 12 км/ч) обычно применяют следующие виды режущих аппаратов: сегментно-пальцевый с увеличенным числом пробега ножа в секунду; беспальцевый двухножевой с двумя активными ножами и для бесподпорного среза.
Увеличение числа ходов ножа в секунду у сегментно-пальцевого режущего аппарата приводит к повышению затрат энергии на привод ножа и инерционных сил, что вызывает сокращение срока службы кривошипно-шатунного механизма привода ножа и повышение вибрации, которая является негативным фактором при эксплуатации уборочных машин.
Для беспальцевого двухножевого режущего аппарата с двумя активными ножами при одинаковой скорости резания с сегментно-пальцевым режущим аппаратом число ходов ножа в секунду в два раза меньше за счёт того, что оба ножа движутся навстречу друг другу. Инерционные силы при этом, действующие на каждый нож данного режущего аппарата, значительно ниже, чем у ножа сегментно-пальцевого режущего аппарата, что даёт такие преимущества, как снижение необходимой мощности на привод ножа, почти полное уравновешивание сил инерции ножей (при этом влияние вибрации ничтожно мало).
Для комплектования уборочного агрегата с точки зрения рациональной загрузки энергосредства необходимо знать сопротивление агрегата на перекатывание и затраты энергии на привод рабочих органов.
Чтобы скомплектовать уборочный агрегат с использованием прицепной жатки-накопителя
(рис. 1), у которой платформа имеет прямоугольную форму и фронтально повернута (угол поворота варьируется от 20 до 35° [1], необходимо рассмотреть режимы работы режущего аппарата при его фронтальном повороте на угол в, которые влияют на энергозатраты процесса резания.
Рассмотрим случай использования для среза стеблей прицепной жаткой-накопителем бес-пальцевого двухножевого режущего аппарата с двумя активными ножами.
Поворот платформы жатки в пределах ±10°, который был необходим для изменения ширины валка в интервале а1—а2 (рис. 2), реализовал Г.Е. Чепурин для жатки ЖШН-6 [2]. На этой жатке использовался сегментно-пальцевый режущий аппарат, существенные изменения в работе режущего аппарата не произошли.
Обоснуем теоретически изменения в работе беспальцевого двухножевого режущего аппарата с двумя активными ножами, связанные с фронтальным поворотом платформы прицепной жатки-накопителя.
Известно, что площадь нагрузки ^Н) на лезвие для беспальцевого двухножевого режущего аппарата с двумя активными ножами определяется по следующей формуле [3]:
8Н = И, (1)
где — площадь нагрузки на лезвие, м2;
Рис. 1 - Схема прицепной жатки-накопителя с платформой, повёрнутой на угол в относительно направления движения жатвенного агрегата:
1 - трактор; 2 - прицепная жатка-накопитель; ВФ -фронтальная ширина жатки; ВК - конструктивная ширина захвата жатки-накопителя; в - угол поворота платформы жатки-накопителя относительно направления движения жатвенного агрегата
Рис. 2 - Схема жатки ЖШН-6:
а1, а2 - минимальная и максимальная ширина валка соответственно
Рис. 3 - Расчётная схема для определения площади нагрузки при срезе с фронтальным поворотом платформы прицепной жатки-накопителя
I — шаг расстановки сегментов, (при проведении расчётов I = 0,0762 м);
Ь — подача (путь, который проходит машина за время половины оборота кривошипа) м; определяется по формуле [3]:
n — частота вращения кривошипа привода ножа, мин-1.
Для определения изменения площади нагрузки, связанного с фронтальным поворотом ножа режущего аппарата, составим расчётную схему (рис. 3).
Из этой схемы видно, что значение шага расстановки сегментов ножа (t) будет больше, чем это значение, спроецированное на фронт (t'), из-за того, что режущий аппарат фронтально повёрнут.
При этом значение шага расстановки сегментов ножа (t'), спроецированного на фронт, составит:
t’ = t cos в, (3)
где t' — шаг расстановки сегментов ножа, спроецированного на фронт, м; в — угол фронтального поворота режущего аппарата, град.
Тогда с учётом выражения (3) площадь нагрузки (SH') на лезвие режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, определится по следующему выражению:
SH' = L t' = L t cos в,
(4)
L = VM п/ю = 30 VM In,
(2)
где ¥м — скорость перемещения машины, м/с; ю — угловая частота вращения кривошипа привода ножа, с-1;
где БН — площадь нагрузки на лезвие режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, м2.
Энергоёмкость процесса резания узнаем, определив силы, влияющие на затраты энергии при работе режущего аппарата.
Сила сопротивления срезу (ВсР) определяется по выражению [3]:
CP
■ eSH z/XP,
где Rep — сила сопротивления срезу, Н;
е — работа, затрачиваемая на срез растений с 1 м2, е = 100—200 Дж [3] (для расчётов примем е = 150 Дж);
г — количество сегментов на метре длины, шт./м;
ХР — перемещение ножа от начала до конца резания, м.
Сила сопротивления срезу (ЯсР') для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, определяется по выражению:
Яср' = г8н'г/Хр, (6)
где ВсР' — сила сопротивления срезу для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, Н.
Выражение силы инерции ножа (Р) будет иметь следующий вид [3]:
Р = тн г ю2 (1 - х/г), (7)
где Р — сила инерции ножа, Н;
тн — масса ножа, тн = 2,0—2,2 кг [3] (для расчётов примем тн = 2,1 кг); г — радиус вращения кривошипа, (г = £ /2,
$ = I /2, тогда г = I /4 = 0,0195 м).
Сила трения (Г) в процессе резания стеблей режущим аппаратом складывается из силы трения (Г') от силы тяжести ножа и силы трения (Г") от действия шатуна [3]:
Р = Р'+Р", (8)
где Г — сила трения, Н.
Сила трения от силы тяжести ножа определяется по выражению [3]:
Р' = /Он, (9)
где Г' — сила трения от силы тяжести ножа, Н;
/ — коэффициент трения,/= 0,25—0,30 (для расчётов примем / = 0,275 [3]);
ОН — сила тяжести ножа, Н.
Сила трения от действия шатуна рассчитывается по формуле [3]:
Р" = / N0, (10)
где Г" — сила трения от действия шатуна, Н;
N — суммарная сила при действии силы сопротивления срезу, инерционной силы и силы тяжести ножа. Для её определения используем выражение [3]:
N0 = (Яср + Р + /Он) & а/(1 -(11)
где И0 — суммарная сила при действии силы сопротивления срезу, инерционной силы и силы тяжести ножа, Н; а — угол между продольной осью шатуна и направлением движения ножа, град.
Для определения суммарной силы (N0') при действии силы сопротивления срезу, инерционной силы и силы тяжести ножа для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в,
используем выражение:
N0, = (Яср'+Р + /Он ) & а/(1 -/г& (12)
где N0 — суммарная сила при действии силы сопротивления срезу, инерционной силы и силы тяжести ножа для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, Н. Тогда выражение силы трения от действия шатуна (10) для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в (Г2"), будет иметь вид:
Р2'' = /(Кор'+Р + /Он) & а/(1 -/г& а). (13)
При этом сила трения для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в (Г1), определится по выражению:
Р = Р '+р". (14)
Определяя результирующую силу ^О) сопротивления движению ножа применим выражение [3]:
К-0 = Кор + р + Р, (15)
где ЯО — результирующая сила сопротивления движению ножа, Н.
Для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, результирующую силу сопротивления движению ножа определим по выражению:
Яо = Яср+р + Р’, (16)
где ЯО — результирующая сила сопротивления движению ножа для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, Н.
При сравнении выражений (15) и (16) видно, что при определении значения силы сопротивления движению ножа в случае фронтального поворота режущего аппарата на угол в изменяются значения силы сопротивления срезу (ЯсР) и трения (Г). Неизменной величиной по значению остаётся только сила инерции ножа (Р).
Мощность N), потребная на преодоление сил сопротивления резанию стеблей, трения и сил инерции ножа, определяется по выражению [3]:
N = Яо у/1000, (17)
где N — мощность, потребная на преодоление сил сопротивления резанию стеблей, трения и сил инерции ножа, Вт;
V — скорость ножа, м/с.
Для режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол в, формула мощности, потребной на преодоление сил сопротивления резанию стеблей, трения и сил инерции ножа N), имеет вид:
N = Я0' у/1000, (18)
где N — мощность, потребная на преодоление сил сопротивления резанию стеблей, трения и сил инерции ножа, Вт.
— — — значения для режущего аппарата, расположенного фронтально;
------значения для режущего аппарата,
повёрнутого фронтально на угол 25 град.
Рис. 4 - Изменение мощности на привод одного метра ножа беспальцевого двухножевого однопробежного режущего аппарата с двумя активными ножами в зависимости от поступательной скорости движения жатвенного агрегата
Анализируя выражения (17) и (18), можно отметить, что для ножа режущего аппарата, фронтально повёрнутого на угол ß, затраты энергии на его привод изменятся по отношению к фронтально расположенному режущему аппарату.
По приведённым выше формулам при частоте вращения кривошипа n = 415 мин-1, расчёты мощности на привод одного метра ножа бес-пальцевого двухножевого режущего аппарата с
двумя активными ножами приведены в графическом виде на рисунке 4.
Из графической зависимости, приведённой на рисунке 4, видно, что мощность, необходимая на привод ножа, расположенного фронтально, будет больше, чем у ножа, повёрнутого фронтально на угол 25 град, независимо от скорости движения жатвенного агрегата.
Снижение затрат на привод ножа, расположенного под фронтальным углом, связано с уменьшением площади нагрузки на лезвие, с которой срезаются стебли при половине хода кривошипа привода ножа.
Таким образом, аналитические зависимости и результаты расчётов свидетельствуют о том, что при наличии фронтального поворота беспальце-вого двухножевого однопробежного режущего аппарата с двумя активными ножами снижается мощность на привод ножа. Результаты расчётов показали, что при увеличении скорости перемещения машины ^м) от 1,7 до 5 м/с процент уменьшения мощности, необходимой на привод ножа, составляет от 1,5 до 2,2%.
Литература
1. Валковая жатка. Патент РФ. № 2242858. 2004 г. Воцкий З.И., Пермяков А.Ф., Боровинских Н.П., Грохотов А.С.
2. Чепурин Г.Е. Исследование и обоснование параметров хлебного валка при раздельной уборке зерновых для лесостепной зоны Западной Сибири: автореф. дисс. ...канд. техн. наук. Челябинск, 1968. 27 с.
3. Листопад Г.Е., Демидов Г.К., Зонов Б.Д. и др. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М.: Агропромиздат, 1986. 688 с.
9C
