Закономерности, характеризующие функционирование копирующего устройства подборщика зерноуборочного комбайна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИЗВЕСТИЯ ОРЕНБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АГРАРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

2020 • № 2 (82)

УДК 631.354.2.004

Закономерности, характеризующие функционирование копирующего устройства подборщика зерноуборочного комбайна

А.П. Ловчиков, д-р техн. наук, профессор; О.С. Шагин, аспирант

ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ

Исследование проведено с целью выявления закономерностей, характеризующих функционирование копирующего устройства транспортёрного подборщика. Исследование базируется на общелогическом методе и математическом анализе. Закономерности, характеризующие функционирование копирующего устройства подборщика, позволяют количественно описывать взаимодействие и взаимосвязи между его основными параметрами и комбайна при подборе валка хлебной массы. В результате исследования получен коэффициент динамического воздействия подборщика, посредством которого увязаны между собой потери зерна за подборщиком и основные параметры опорной поверхности копирующего устройства. Полученные закономерности позволяют оценить эффективность воздействия того или иного технического решения в области разработки и совершенствования копирующего устройства подборщика и всей машины в целом.

Ключевые слова: зерноуборочный комбайн, транспортёрный подборщик, копирующее устройство, коэффициент динамического воздействия, потери зерна.

Результаты ранее проведённых исследований [1 - 5] свидетельствуют о том, что при комбайновом подборе валков хлебной массы образуются потери зерна за подборщиком, которые можно уменьшить за счёт совершенствования их копирующих устройств.

Исследование проводили с целью выявления закономерностей, характеризующих функционирование копирующего устройства транспортёрного подборщика. Исследование базируется на общелогическом методе и математическом анализе.

Результаты исследования. В процессе подбора валка хлебной массы [5 - 8] движение как подборщика, так и самоходной молотилки будет преодолевать сопротивление передвижению, причём соотношение их таково, что суммарное сопротивление передвижению самоходной молотилки намного больше, чем подборщика (рис. 1).

Вследствие того, что подборщик соединён с самоходной молотилкой через шарнирное соединение, т.е. имеет одну степень свободы, это приводит к тому, что возникают поперечные

(вертикальные) колебания подборщика, а также и самоходной молотилки, которые можно описать в виде дифференциальных уравнений:

М„

: Л2

"(^Уод +/пер(пд) '^одН

+(/тр Упер(пд)) ' ^пд ^пд >

М = к йг1 ш

(1)

" ./пер(к) ' <?к) "

+ ск

Рис. 1 - Общая схема образования вертикальной силы Pm при движении комбайна с подборщиком при подборе валка хлебной

С/гр ./пср(к)) ' ^к

где - суммарная сила сопротивления передвижению опорной поверхности (колесо, гусеница) копирующего устройства подборщика, Н;

/пер(пд) - коэффициент сопротивления передвижению опорной поверхности копирующего устройства подборщика комбайна; Спд - вес подборщика комбайна, Н; Fтp - коэффициент трения при относительном перемещении осей опорной поверхности (колесо, гусеница) копирующего устройства подборщика комбайна; Pпвдт - вертикальная реакция в опорной поверхности (колесо, гусеница) копирующего устройства подборщика от касательной тяги, развиваемой ведущими колёсами самоходной молотилки, Н;

Спд - приведённый коэффициент жёсткости упругого элемента опорной поверхности (колесо, гусеница) копирующего устройства подборщика комбайна, Н/м; 50п - величина сжатия упругой поверхности (колесо, гусеница) копирующего устройства подборщика комбайна;

Fкк - суммарная касательная сила тяги, развиваемая ведущими колёсами самоходной молотилки, Н;

массы

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Лер(к) - коэффициент сопротивления передвижению колёс самоходной молотилки; Gк - вес самоходной молотилки, Н; /Гр - коэффициент трения при относительном перемещении осей колёс самоходной молотилки;

- вертикальная реакция в опорных колёсах самоходной молотилки от касательной тяги, развиваемой ведущими колёсами, Н; ск - приведённый коэффициент жёсткости упругого элемента (шин) ведущих и ведомых колёс самоходной молотилки, Н/м; 5к - величина сжатия упругого элемента (шин) ведущих и ведомых колёс самоходной молотилки.

В результате теоретических изысканий получена аналитическая зависимость вида:

—пд ' (соп + сю

9оп

1 +

1 + оп ^к с — с

V 2

пд

х sin(P - t + ен)

(2)

Р =

2 - с„

2 - соп + спд

- Моп + Мпд

М оп + М пд

где спд - жёсткость подборщика комбайна, Н/м; моп - масса копирующего устройства подборщика комбайна, кг.

Величину коэффициента, характеризующего нагрузку в копирующем устройстве подборщика, можно определить по выражению:

(3)

1 +

Уо

С + с V кк 1 ^оп

— - в

'пд Н

Необходимо отметить тот факт, что в процессе движения комбайна с подборщиком в опорной поверхности копирующего устройства образуются нелинейные колебания, наличие которых позволяет исключить резонансное явление.

Для определения жёсткости опорной поверхности копирующего устройства подборщика необходимо взять производную по с* и, приравняв её к нулю, получим:

с* = А | / (50П) - 5;

А

- ¿5

оп ^^оп-

Поскольку в предполагаемом копирующем устройстве подборщика все элементы опорной поверхности (колесо или гусеница) находятся на одной оси симметрично, то и характеристики данных элементов симметричны, следовательно, данное выражение можно заменить в виде [8, 9]:

где ^пд - толкающее усилие, возникающее от воздействия самоходной молотилки на подборщик, Н (далее рассматриваем как воздействие подборщика на опорную поверхность копирующего устройства); соп и скк - соответственно жёсткость опорной поверхности (колёс, гусениц) копирующего устройства подборщика и колёс комбайна, Н/м;

У0 - относительная скорость движения копирующего устройства подборщика, м/с; Р - угловая частота собственных колебаний опорной поверхности (колесо, гусеница) копирующего устройства подборщика, с-1; t - время движения комбайна, с; 8н - коэффициент, характеризующий нагрузку в копирующем устройстве во время движения комбайна.

Установка двух опорных поверхностей с наличием эластичного элемента в копирующем устройстве будет сопровождаться колебаниями в вертикальной плоскости, вызываемыми массой как подборщика, так и комбайна за счёт движения машины с переменной скоростью. Тогда угловую частоту собственных колебаний копирующего устройства подборщика определим как:

5

| / (5оп) - 5

• ¿5

оп •

Дифференциальное уравнение нелинейных колебаний опорной поверхности копирующего устройства подборщика комбайна выглядит следующим образом:

/(5оп) _ Р/оп(Ъ -Моп + Р/пдУ) -Мпд

¿12 5о

ж2

м п

моп - мпд

(4)

где F/0П(t) и F/(Пд) - соответственно функции сил, действующих одновременно во времени на опорные поверхности копирующего устройства и подборщик комбайна;

мпр = М оп - Мпд

пр м + м

оп пд

суммарная приведённая

масса опорных поверхностей (одна или две) копирующего устройства и подборщика комбайна, кг.

В дифференциальное уравнение (4), подставив вместо /(<9оп) значение с* • 5оп, получим линейное уравнение относительного перемещения опорной поверхности копирующего устройства подборщика.

Для определения жёсткости упругого элемента опорной поверхности копирующего устройства подборщика с учётом нелинейности упругости запишем величины относительного перемещения в копирующем устройстве подборщика:

при /(^п) = 0 /(^п) = Fкоп; при 0 < ^оп < Топ /(5оп) = Fкоп + £оп • ¿оп

при Топ < <$опТпд Л&п) = Fкоп

+ спдЧА - Тпд) + Fи

9 • т +

оп оп

где Fк0П - усилие предварительного поджатия элементов опорной поверхности копирующего устройства подборщика, Н;

1

ен = - штат

с

с

оп

)

с

с

оп

с* =

5

с

т оп - величина сжатия эластичного элемента опорной поверхности копирующего устройства подборщика, м;

Lпд - величина сжатия упругого элемента, установленного на подборщике комбайна, м; А - сумма вынужденных колебаний в подборщике; она будет соответствовать сумме величин деформаций в упругом элементе подборщика и эластичного элемента опорной поверхности копирующего устройства подборщика, А = Топ + Тпд, м; —кпд - усилие предварительного поджатия упругих элементов подборщика, Н.

Проинтегрировав и осуществив преобразование, получим выражение:

"пд

4А

— + — - (1 -а4)

1 коп ^ 1 кпд V1 ^ /

(5)

где а = —°п - коэффициент.

Из выражения (5) следует, что приведённая жёсткость эластичного элемента опорной поверхности копирующего устройства подборщика прямо пропорциональна величине усилия Fк0П и Fкпд и обратно пропорциональна амплитуде колебаний. Величина предварительного поджатия Fкпд образуется за счёт силы тяжести подборщика Спд, которую можно увеличить посредством веса G0П опорных поверхностей копирующего устройства и тем самым повлиять и на величину усилия Fк0П. Из этого вытекает, что величина с* зависит и от поджатия.

В соответствии с данным выражением амплитуда вынужденных колебаний опорных поверхностей копирующего устройства равна: 2п - /г„ - g

А =

Тн [(Р*)2 -®в2 ]'

(6)

Если принимать во внимание, что упругая характеристика упругих элементов опорной поверхности копирующего устройства и подборщика является нелинейной величиной, то задавшись жёсткостью упругих элементов, можно определить амплитуду вынужденных колебаний:

2п-К -g (7)

А = -

Т

5 - -

м 4 - м

1У± оп ^ 1У± оп

коп „2 — Ю„

эффициента твёрдости микрорельефа поверхности поля ^ изменяется от 1,0 до 0; при ^ = 1,0 - абсолютно твёрдая поверхность микрорельефа поля (бетон, асфальт). В исследовании применяем допущение, что ^ = 1,0, т.е. твёрдость поверхности микрорельефа поля практически не влияет на величину амплитуды вынужденных колебаний.

Анализ зависимости (7) показывает, что на величину амплитуды вынужденных колебаний опорной поверхности копирующего устройства подборщика комбайна оказывают влияние масса опорной поверхности копирующего устройства и скорость движения комбайна с подборщиком, так как ю = /(Ук). Принимаем допущение, что ^ = 0,01 м, Тн = 1,0 м, соп = 1,0 Н/м, Fк0П = 1,0 Н и ю = 0,01 с-1, тогда получим графическую интерпретацию выражения (рис. 2).

А = ПМ0П)

А = f (V,)

моп,н

где hн - высота неровностей поверхности поля,

м;

g - ускорение свободного падения, м/с2; моп - масса копирующего устройства и подборщика комбайна, Н;

- частота вынужденных колебаний механической системы, т.е. копирующего устройства подборщика, рад/с.

Данное выражение практически не учитывает твёрдость микрорельефа поверхности поля в виде коэффициента ^ Величина ко-

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 у>м/с

Рис. 2 - Изменение амплитуды вынужденных колебаний А в зависимости от массы опорной поверхности копирующего устройства моп и рабочей скорости движения комбайна Ук

По графическим зависимостям рисунка

2 видно, что при малой массе моп опорной поверхности копирующего устройства подборщика амплитуда А вынужденных колебаний определяется прежде всего рабочей скоростью движения комбайна. С повышением рабочей скорости движения комбайна значимость этого фактора снижается и резко возрастает роль массы моп опорной поверхности копирующего устройства подборщика.

В связи с тем что при подборе валка хлебной массы с ускорением и торможением самоходная молотилка не может действовать на опорную поверхность копирующего устройства подборщика в виде силовой характеристики мгновенно, его воздействие на опорную поверхность копирующего устройства длится в течение некоторого периода времени. Тогда сила, возникающая в результате действия массы подборщика на опорную поверхность копирующего устройства, является функцией времени и изменяется по линейному закону вида:

с

оп

+

Рпд - Кр • ^ (8)

где Рпд - максимальное усиление, создаваемое подборщиком комбайна в процессе подбора валка хлебной массы с ускорением, Н; Кр - Рпд / tн - коэффициент роста усилия в опорной поверхности копирующего устройства от воздействия подборщика комбайна, Н/с;

^ - время нарастания силы Рпд от минимального значения до максимального, с. При рассмотрении зависимости (8) с учётом коэффициента роста усилия в опорной поверхности копирующего устройства подборщика получим:

^д = т ■ М Пр

1 +, 1 +

(у

Уж в V ^о

(9)

^ = m ■ M пр

1+. 1+

у

в

V !о

(10)

Кдп -

1 + ± ■

Рп,

(11)

дование показывает, что Кдп - /(Ук) есть величина постоянная и равна 1, т.е. динамическое воздействие подборщика комбайна на опорные поверхности копирующего устройства постоянно, что характерно и для Кдп - /(соп) .

Изменение жёсткости опорной поверхности копирующего устройства за счёт установки дополнительной опоры или замены колеса на гусеницу позволит уменьшить или увеличить величину коэффициента Кдп динамического воздействия подборщика комбайна, тем самым повлиять и на потери зерна при подборе валка хлебной массы.

Теоретическое исследование свидетельствует о том, что в процессе подбора валка хлебной массы образуется динамический удар рабочих органов подборщика, который взаимосвязан с потерями зерна Пз за подборщиком (кг):

где Рпд - толкающее усилие, возникающее в опорной поверхности копирующего устройства от воздействия подборщика, Н; т - коэффициент весовой характеристики подборщика комбайна;

Мпр - суммарная приведённая масса опорных поверхностей копирующего устройства и подборщика комбайна, Н; Vп - скорость движения подборщика комбайна, м/с;

в - угловая частота собственных колебаний копирующего устройства в вертикальной плоскости, с-1;

/о - относительное ускорение, м/с2. Так как Уп - Ук, тогда получим:

П, -

1

(^ -1) -1

(12)

где £д - коэффициент, характеризующий динамический удар рабочих органов подборщика. Выражение преобразуем в вид:

П2

+ 2,

где ПЗ - потери зерна за подборщиком, кг.

В ходе выполнения процесса подбора валка хлебной массы воздействие рабочих органов и самого подборщика образуется одновременно, тогда исходя из этого факта можно принять допущение, что Кпд - £д, и записать:

1 +

Рп,

- + 2.

п2

Осуществив преобразование, получим:

Если Кр ^ 0, то время нарастания Рпд стремится к бесконечности.

При ^ ^ да усилие Рпд в опорной поверхности копирующего устройства подборщика увеличивается и достигает максимального значения при Кр ^ да и tн ^ 0.

Сопоставив зависимости выражений (7) и (10) с учётом коэффициента роста усилия Рпд в опорной поверхности копирующего устройства подборщика комбайна, целесообразнее заменить коэффициентом динамического воздействия подборщика комбайна, который будет определяться как:

П -

2-^н ■ соп 1

С учётом условного допущения, что т - 1,0, в - 1 с-1 и ]о - 1,0 м/с2 после преобразования получим:

пз

М оп + М оп

4

1 + У2

21н ■ соп - 1

Из выражения (11) следует, что величина коэффициента Кдп динамического воздействия подборщика комбайна зависит от жёсткости эластичного элемента опорной поверхности копирующего устройства и рабочей скорости движения комбайна, так как Рпд - /(Ук). Иссле-

Величина параметра Ьн в формуле практически неуправляема, так как зависит от агротехники и природно-климатических условий. Графическая интерпретация выражения (при условии: Ук - 1,0 м/с; Ьн - 0,10 м; соп - 10 Н; Моп - 50 Н) отражена на рисунках 3 и 4.

По рисунку 3 видно, что с увеличением массы опорной поверхности копирующего устройства подборщика наблюдается рост потерь зерна, что можно объяснить негативным воздействием данного фактора на микрорельеф поверхности поля. Масса опорной поверхности копирующего

1

с

оп

с

оп

устройства подборщика увеличивает глубину поля, это приводит к воздействию пружинных пальцев с почвой и образованию повышенного динамического убора их по хлебной массе.

Пэ, кг 15

13

11

9 7

20 40 60 80 моп, Н

Рис. 3 - Изменение потерь зерна Пз за подборщиком комбайна в зависимости от массы Моп опорной поверхности копирующего устройства

10 20 30 40 г и

I 1 1

Рис. 4 - Изменение потерь зерна Пз за подборщиком комбайна в зависимости от жёсткости опорной поверхности копирующего устройства подборщика

Увеличение жёсткости опорной поверхности (рис. 4) копирующего устройства подборщика положительно влияет на образование потерь

зерна за подборщиком, что необходимо учитывать при разработке нового копирующего устройства подборщика зерноуборочного комбайна.

Вывод. Закономерности, характеризующие функционирование копирующего устройства подборщика, позволяют количественно описывать взаимодействие и взаимосвязи между основными параметрами копирующего устройства подборщика и комбайна при подборе валка хлебной массы. В результате исследования получен коэффициент динамического воздействия подборщика, посредством которого увязаны между собой потери зерна за подборщиком и основные параметры опорной поверхности копирующего устройства. Полученные закономерности позволяют оценить эффективность воздействия того или иного технического решения в области разработки и совершенствования копирующего устройства подборщика, а следовательно, и в целом всей машины.

Литература

1. Ловчиков А.П., Шагин О.С. Агротехническая оценка работы подборщиков-адаптеров зерноуборочных комбайнов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета.

2016. № 3(59). С. 84 - 86.

2. Результаты производственной проверки прямого комбайниро-вания с высоким срезом зерновых культур / А.П. Ловчиков,

B.П. Ловчиков, Ш.С. Иксанов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1(63). С. 75 - 77.

3. Ловчиков А.П., Ловчиков В.П., Шагин О.С. К разработке математической модели функционирования подборщика зерноуборочного комбайна // Актуальные проблемы науки ХХ1 века: сб. ст. междунар. исследоват. организ. «Cognitio» по матер. ХХ междунар. науч.-практич. конф. Ч. 1. М.: Международная исследовательская организация «Cognitio»,

2017. 104 с.

4. Шагин О.С. Агротехнические показатели работы транспортёрного подборщика // Высокие технологии в современной науке и технике: сб. ст. Междунар. науч.-практич. конф. (22 августа 2017 г., г. Казань). Уфа: ОМЕГА САЙНС, 2017. 92 с.

5. Ловчиков А.П., Ловчиков В.П., Шагин О.С. К совершенствованию копирующего устройства транспортёрного подборщика зерноуборочного комбайна // Инновации и традиции в современном образовании, психологии и педагогике: сб. ст. Междунар. науч.-практич. конф. (10 октября 2017 г., г. Оренбург). Уфа: ОМЕГА САЙНС, 2017. 256 с.

6. Ловчиков А.П., Ловчиков В.П., Шагин О.С. Совершенствование технологического процесса скашивания зерновых культур навесной жаткой-накопителем // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 5(67).

C. 120 - 122.

7. Ловчиков А.П., Ловчиков В.П., Шагин О.С. Агротехническая оценка обмолота широкополосных и традиционных валков хлебной массы зерноуборочным комбайном Дон-1500 // Международный научно-исследовательский журнал International research journal. Екатеринбург. 2018. №3(69).

8. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машгиз, 1957. 450 с.

9. Блехман И.И. Что может вибрация. М.: Наука, 1988. 208 с.

Ловчиков Александр Петрович, доктор технических наук, профессор Шагин Олег Сергеевич, аспирант

ФГБОУ ВО «<Южно-Уральский государственный аграрный университет» Россия, 454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, 75 E-mail: alovcikov@mail.ru; shagin958@gmail.com

Regularities characterizing the functioning of the copying device of the picker of the combine harvester

Lovchikov Alexander Petrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor

Shagin Oleg Sergeevich, postgraduate

South Ural State Agrarian University

75 Lenin Ave., Chelyabinsk, 454080, Russia

E-mail: alovcikov@mail.ru; shagin958@gmail.com

The study was conducted to identify patterns that characterize the functioning of the copying device of the conveyor pickup. The study is based on the general logical method and mathematical analysis. The patterns characterizing the functioning of the pickup copying device allow to quantitatively describe the interaction and the relationship between its main parameters and the combine when selecting the bread mass roll. As a result of the study, the dynamic impact coefficient of the pick-up was obtained, through which grain losses behind the pick-up and the basic parameters of the supporting surface of the copying device are linked. The obtained patterns allow us to assess the effectiveness of the impact of a technical solution in the field of development and improvement of the copying device of the pick-up, and therefore, of the whole machine.

Key words: combine harvester, conveyor sorter, copying device, dynamic impact coefficient, grain loss. -♦-

УДК 631.363.3

Совершенствование рабочих органов измельчителя-смесителя кормов ИСК-3

М.М. Константинов1, д-р техн. наук, профессор; Б.Н. Нуралин2, д-р техн. наук, профессор;

Р.Р. Джапаров2, канд. техн. наук; А.Ж. Нуралин2, инженер

1 ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

2 НАО Западно-Казахстанский АТУ

Лучшее усвоение питательных веществ корма животными происходит в растворённом виде. Скорость обработки частиц корма желудочным соком прямо пропорциональна площади их поверхности. Наибольшую поверхность имеют измельчённые корма, которые одновременно позволяют экономить энергию на разжёвывание, переваривание и усвоение кормов. На основании проведённых исследований предложена конструкция измельчителя-смесителя, в которой ножи выполнены криволинейными по форме дуги окружности с зубьями на режущей кромке, а противорежущие пластины имеют кольцевую форму и расположены по периметру рабочей камеры. Режущая поверхность противореза выполнена зубчатой. Кривизна ножей обеспечивает постоянное взаимодействие ножей и противорежущих пластин с зубчатой рабочей поверхностью, постоянство угла в течение всего процесса резания. Резание корма происходит со значительным скольжением и меньшими затратами энергии. Разработанная конструкция измельчителя-смесителя позволяет снизить энергоёмкость процесса резания корма на 15 - 20 % при соблюдении зоотребований к длине резки. Новизна технического решения защищена патентом Республики Казахстан.

Ключевые слова: измельчитель-смеситель, ИСК-3, корм, измельчение, противорежущая пластина, нож.

При подготовке полнорационных кормов к скармливанию животным основными операциями в технологическом процессе являются измельчение и смешивание различных кормов. Этим операциям принадлежит весьма важная роль в кормоприготовлении, так как при измельчении получаются частицы корма, имеющие большую поверхность. Лучшее усвоение питательных веществ корма происходит в растворённом виде, а чтобы желудочный сок животного энергичнее воздействовал на частицы корма, необходимо создать у них как можно большую поверхность, т.е. скорость обработки частиц корма желудочным соком прямо пропорционально площади их поверхности. При скармливании измель-

чённых кормов животным экономится энергия, затрачиваемая на разжёвывание, переваривание и усвоение кормов. Кроме того, измельчённые стебельные корма удобнее дозировать, смешивать с другими видами кормов, обрабатывать химическими веществами, брикетировать, раздавать и механизировать погрузочно-транспортные работы.

Неизмельчённые грубые корма наматываются на рабочие органы кормораздатчиков, дозаторов и нарушают нормальный процесс подготовки кормов к скармливанию животным.

Наукой и практикой доказано, что при применении кормовых смесей продуктивность кормов повышается до 15 %, а расход кормов на