Бильный барабан
BEATER DRUM

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, касается конструкций молотильно-сепарирующих устройств, в частности молотильных барабанов.
Известны двухбарабанные и однобарабанные молотильно-сепарирующие устройства. Предметом рассмотрения являются бильные барабаны, являющиеся неотъемлемой частью двухбарабанных моделей и работающих автономно в однобарабанных моделях.
Известные молотильные устройства однобарабанного типа (например,: Шаткус Д.И. «Зерноуборочные комбайны «Енисей» М.: Агропромиздат, 1986 - 335 с. ил. стр. 58-63 [1], Песков Ю.А., Мещеряков И.К., Ярмашев Ю.Н. «Зерноуборочные комбайны «Дон» - М.: Агропромиздат. 1986 - 333 с. ил. стр. 27-52 [2], А. С. 181429 SU [3], А. С. 323102 SU [4], Труфляк Е.В., Трубилин Е.И. «Современные зерноуборочные комбайны: учеб. пособие - Краснодар: КубГАУ, 2013. - 320 с. [5].
Содержат 6, 8 или 10-бильный барабан диаметром от 550 до 650 мм, реже 800 мм [2] и расположенную коаксиально или с небольшим эксцентриситетом по дуге определенной длины решетчатую деку [5].
На практике применяются бильные барабаны, отличающиеся способом установки на них бичей - на подбичниках или напрямую.
В барабанах с подбичниками бичи устанавливаются на корытообразных в поперечном сечении подбичниках, которые закрепляются на несущих цилиндрических дисках. Между точками крепления подбичников к дискам подбичники по образующей имеют арочные выемки для сокращения внутрикорытного объема с целью снижения возможности накопления продуктов обмолота во внутрикорытном пространстве а также для облегчения доступа к гайкам болтов крепления бичей.
В этом случае применяются унифицированные стандартные простые цельные бичи с косыми рифами, имеющие последовательно противоположный наклон рифов.
При прямой установке бичей используются оригинальные у каждой фирмы свои бичи, устанавливаемые на фигурных несущих дисках.
Эти барабаны отличаются только конструктивным исполнением и отличием в ремонтопригодности, по технологическому процессу они в принципе равноценны.
Взаимодействие бильного барабана с декой является главным и определяющим фактором качественного вымолота зерна из хлебной массы и его сепарации для дальнейшей очистки и сбора в накопительную емкость (бункер).
Поэтому параметрам барабана и его конструктивным элементам уделяется огромное внимание с целью повышения производительности обмолота, снижения травмируемости зерна, обеспечению высокой чистоты зерна.
Так, например, в работах: см. Лачуга Ю.Ф. Исследование процесса обмолота хлебной массы на входе в молотильное устройство: автореф. Дисс. Канд. Техн. Наук - М. - 1972. МСХ СССР. МИИСП им. В.П. Горячкина см. прилож. 1 [6]; Кленин Н.И., Лачуга Ю.Ф. Ударное воздействие на хлебную массу в процессе обмолота. // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. - 1970. - №12 - с. 40-41 [7] исследуется влияние конструктивного исполнения и формы бичей бильного барабана на качественные и энергетические показатели обмолота хлебной массы.
Для дальнейшей мотивации настоящей заявки принципиальными и основными в обобщенном виде принимаются следующие результаты исследований:
• Барабан с уголковыми бичами обеспечивает самый высокий вымолот при относительно повышенном дроблении зерна;
• Барабан с гладкими бичами вымолачивает 90-95% зерна при самом низком уровне дробления и энергопотребления;
• Барабан с классическими применяемыми во всем мире цельными косо рифлеными бичами по этим показателям занимает промежуточное положение;
• Определяющим фактором полноты вымолота и величины затрат мощности является удар бича по хлебной массе на первой планке подбарабанья в этой зоне дробление зерна достигает 50% и более от всего дробления на деке, при этом число ударов бичей у первой планки за один оборот барабана колеблется от 3 до 5 в зависимости от диаметра барабана и частоты вращения;
• Воздушный поток, создаваемый вращающимися элементами барабана, не оказывает влияния на характер перемещения верхних слоев стеблей и одиночных колосьев.
Несмотря на эти и другие многочисленные исследования, у всех серийных комбайнов всех известных в мире производителей на бильных барабанах применяются цельные рифленые бичи с косым направлением рифов, устанавливаемые поочередно с противоположным наклоном рифов и с практически одинаковой геометрией рифов и их конфигурацией. Поэтому число бичей на барабане всегда четное: 6, 8 или 10 штук, причем съемные бичи могут устанавливаться как напрямую на несущих дисках, так и с помощью подбичников [5].
Разнонаправленность самих рифов как таковых не является показателем, оказывающим существенное влияние на качество распределения хлебной массы по деке и качество обмолота.
Практика показала, что барабан с предельно изношенными, но равномерно бичами (рифы стерты практически полностью) в определенных условиях способны устойчиво и качественно выполнять технологический процесс, на качество которого принципиально влияет только неравномерность износа бича по высоте (см. Красниченко Л.В. Шадчинев В.А., Клейменов Г.А. Влияние износа молотильного аппарата на потери зерна // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1969. - №8. с. 37. [8]; Шадчинев В.А. Повышение износостойкостибичей барабана и планок подбарабанья зерноуборочных комбайнов - 1967. - №2. - с. 25-26. [9].
Характерная неравномерность износа бичей барабана и планок подбарабанья со смещением вправо от центра комбайна в условиях рядовой эксплуатации определяется естественным протеканием технологического процесса, выполняемого комбайном. Исторически так сложилось, что у всех известных в мире без исключения зерноуборочных комбайнов полевой делитель находится справа по ходу комбайна, при этом более 90% всего времени выполнения технологического процесса комбайн на узкорядных посевах косит хлебную массу так, что полевой делитель находится справа по ходу комбайна [2 стр. 274]. Это означает, что правая сторона жатки от центра до края всегда полностью загружена хлебной массой. Левая же сторона ввиду неравномерности руления, исключения огрехов не загружена одинаково с правой стороной, поэтому с левой стороны жатки хлебная масса среднестатистически имеет меньшую плотность и объем.
Установка бичей поочередно с правым и левым наклоном рифов выполняется с целью уравновешивания осевого давления на подшипники барабана, возникающие при обмолоте хлебной массы (см. Изаксон Х.И. зерноуборочные комбайны «Нива», «Колос». - 2е изд.; перераб. и доп. - М.: Колос 1980. - 416 с: ил. стр. 97 [10]), поэтому существенного влияния на равномерность распределения хлебной массы по ширине подбарабанья с установкой поочередно бичей с разнонаправленным наклоном рифов не оказывает.
Обеспечить системно-последовательную укладку бичей с вариантно направленным наклоном рифов с четным количеством бичей на 6, 8 или 10-бильных барабанах невозможно.
Попытки повышения качественных показателей бильных барабанов осуществлялись в основном в направлении нетрадиционной укладки составных косо рифленых бичей на барабанах с четным количеством бичей 6, 8 и 10 шт., причем как на подбичниках так и напрямую на фигурных несущих дисках (см. Кленин Н.И., Ломакин С.Г. Молотильные устройства и сепараторы грубого вороха зерноуборочных комбайнов. // Тракторы и сельхозмашины. - 1972. - №10. - с. 41-44 [11]; Кленин Н.И., Егоров В.Г., Влияние угла наклона бичей бильного барабана на показатели работы молотильного устройства. // Тракторы и сельхозмашины - 1971 - №3. - с. 26-27. [12].
Фирма Аллис-Чалмерс [11] на барабанах с 8 бичами устанавливает цельные прямые бичи с разнонаправленным наклоном рифов от центра барабана, при этом каждый следующий бич имеет противоположное предыдущему направление рифов.
В конечном счете, особой эффективности от такой комбинации в рядовой эксплуатации не наблюдалось как по качеству обмолота, так и особенно по улучшению неравномерности распределения хлебной массы по ширине деки и широкого известного распространения на практике такие барабаны не получили.
У комбайнов «Тигр 165» [11] и др. улучшение технологического процесса обмолота предусматривается осуществлять с помощью перестановки бильных барабанов с 6 или 10 бичами, то есть, в конечном счете предполагается управлять процессом обмолота за счет скорости и количества ударов бичей.
На фоне работы аналогичных комбайнов других фирм с постоянно установленными на них штатными несъемными 6 или 10 бичевыми барабанами такой прием вызывает большие сомнения в его целесообразности, а самый большой недостаток заключается в очень высокой трудоемкости и сложности замены барабанов в условиях рядовой эксплуатации для уборки конкретной культуры.
Интересной представляется попытка реально улучшить распределение хлебной массы на деке бильным барабаном с V-образными, установленными симметрично относительно середины барабана с косыми рифами бичей [12].
Результаты экспериментов показывают, что 8-бильный барабан с V-образными симметричными относительно середины барабана бичами в целом улучшает качественные показатели технологического процесса.
Вместе с тем, принципиально равномерного распределения хлебной массы по ширине деки не наблюдается, так как у стенок молотилки (зоны 1 и VIII) просеивается меньшее количество зерна, чем в центральной ее части.
Анализ полевых данных (табл. 1) показывает, что, не смотря на V-образные бичи наблюдается смещение фактического центра сепарации в сторону полевого делителя на 1,1% (сумма процентов сепарации в зонах I-IV=41.7%, а в зонах V-VIII=42.8%.).
Опыты с этими вариантами барабанов неопровержимо указывают на то, что рифление поверхности бичей с разнонаправленным наклоном рифов относительно центра барабана, уложенных на барабане последовательно с противоположным наклоном рифов относительно предыдущего или всех 8 бичей с одинаковым наклоном рифов относительно центра барабана, но уложенных V-образно, не оказывает явно выраженного распределения хлебной массы в молотильном зазоре.
Вместе с тем, малая разница по равномерности распределения хлебной массы по левой и правой зоне объясняется тщательностью проведения полевых опытов.
Уложенные на прямых подбичниках V-образные бичи образуют так называемые зоны захвата и захлестывания листостебельной массы и колоса. В этих зонах захваченные колосья могут пройти в молотильном зазоре без контакта с декой и сомнителен сброс захваченной массы с барабана на выходе с деки.
На культурах с повышенной влажностью и при наличии подгона не только стабильность, но и возможность работы такого барабана вызывает серьезные сомнения в плане возникновения значительной неуравновешенности барабана.
В работе (см. Гришаков Ю.В., Мочалов В.А. Об основных причинах неуравновешенности бильного молотильного барабана. // тракторы и сельхозмашины. - 1971 - №8 - С. 29-30. [13] раскрываются причины и последствия неуравновешенности барабанов зерноуборочных комбайнов, в следствии корытообразной конструкции подбичников и несущих дисков способствующих накоплению в них пыли и пожнивных остатков с непредсказуемой плотностью распределения по поверхности, что приводит к значительной его разбалансировке до опасного состояния с невозможностью без очистки выполнять технологический процесс.
V-образная установка бичей в этом плане значительно увеличивает лабиринтность конструкции барабана.
Кроме того, такой барабан отличается высокой технологической сложностью, а самое трудное заключается в том, что очень сложно устанавливать необходимые зазоры между декой и бичами при эксплуатации комбайна.
Особенно опасно возникновение дисбаланса на культурах, характеризующихся высокой плотностью и склонностью к слеживанию, например, на обмолоте кукурузы.
Поэтому для снижения вероятности возникновения дисбаланса и исключения пролета початков кукурузы сквозь барабан межбичевое пространство закрывается специальными глухими щитками [2] (стр. 296-297). Процедура установки таких щитков достаточно сложная и трудоемкая.
В патенте RU 2377761 (заявка 2008128270/12 от 10/07/2008 [14]) принята попытка улучшить процесс обмолота, установив в молотильном устройстве (барабан - гладкая решетчатая дека) на барабане зубья (без применения штифтовой деки).
Такой барабан обладает высокой растаскивающей и протягивающей способностью, но резко снижает вымолот зерна из-за снижения периметра и суммарной энергии удара, а также отсутствия функции очеса без штифтов на гладкой деке.
Практика применения такого решения неизвестна.
Другим направлением улучшения параметров обмолота за счет предварительного распределения подачи массы в бильный барабан является так называемая система APS [5, стр. 83-84] - ускоренная предварительная сепарация, например, у комбайнов серии Lexion 620-770.
Перед молотильным барабаном установлен предварительный ускоритель (некий упрощенный барабан).
Декларируется, что это устройство за счет спиралевидного расположения лопаток на нем распределяет массу равномерно по всей ширине молотилки как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Это утверждение вызывает сомнение в плане того, что односторонне направленное расположение спиралей почему-то не сгоняет явно хлебную массу в одну сторону. Казалось бы, что это должно быть естественно логичными, корреспондируемым с ранее рассмотренными материалами. Но из-за того, что зазоры между декой и ускорителем достаточно велики, а штифты не являются сплошными не обеспечивается должное сжатие хлебной массы, то за счет связности ее слоя распределительная функция такого ускорителя в плане поперечного распределения весьма сомнительна.
Кроме того, ускоритель, интенсивно обрабатывая верхний слой хлебной массы, выбивает не только зерно из колоса, но и полову и сбоину.
Эта зерносмесь ложится на стрясную доску, на которую в дальнейшем ложится зерно, выбитое барабаном. Работа очистки при этом сильно осложняется, так как чистое зерно от барабана ложится сверху на ворох, поступивший с барабана ускорителя. Выделить такое зерно из смеси ворох-зерно достаточно трудно.
Практика показала, что такие модели комбайнов с трудом вписываются в допустимый уровень потерь (1.5%) за молотилкой.
Кроме того, такое решение обладает значительно более высоким энергопотреблением и неоправданно высокой стоимостью комбайна.
В мировой практике известны случаи обеспечения качества обмолота за счет обеспечения стабильности вращения барабана путем повышения его инерционности (см. комбайн MASSEY FERGUSON моделей 7345/7347 www.Massey Ferguson.com [15]).
На этих моделях эта задача решалась путем установки на несущих дисках подбичников дополнительных балластных брусков по всей ширине барабана.
Это решение, кроме стабилизации скоростного режима самого барабана, сглаживает динамические процессы по всей молотилке, что особенно важно для работы соломотряса [2, стр. 55], но установка дополнительных брусков в сочетании с корытообразными подбичниками увеличивает лабиринтность самого барабана и тем самым увеличивает вероятность случайного возникновения дисбаланса барабана. Поэтому на этих моделях используются специальные бичи, устанавливаемые без подбичников напрямую на фигурных дисках. Сами фигурные диски обладают высокой технологической сложностью. Поэтому такие барабаны в сочетании со специальными бичами обладают повышенной стоимостью и очень низкой ремонтопригодностью.
Таким образом, в целом применяемые в мировой практике 6, 8, и 10-ти бильные молотильные барабаны с косорифлеными цельными, уложенными последовательно с противоположным направлением рифов бичами различной конфигурации обладают по существу очень низкой адаптивностью подбора оптимального режима обмолота для широчайшего разнообразия культур и спектра их состояний.
В этом случае оператору комбайна доступны только две функции подбора нужного режима обмолота - это изменение оборотов барабана и регулировка необходимого зазора между бичами барабана и декой при обязательном контроле за состоянием бичей и деки.
Целью настоящего изобретения является создание простой и надежной конструкции бильного барабана, обладающего многовариантным настраиваемым подбором режима обмолота не только для каждой культуры, но и для конкретного ее физического состояния без выемки барабана.
Согласно изобретению технический результат в общем виде достигается тем, что барабан содержит количество бичей кратное числам 2 и 3 одновременно, то есть 12; 24; 36 и так далее, устанавливаемых на барабане как с помощью подбичников, так и напрямую на соответствующих фигурных несущих дисках.
В общем виде за счет увеличения числа бичей на барабане можно снизить его частоту вращения, а необходимая энергия и плотность удара для обмолота обеспечивается за счет подбора рабочей поверхности самих бичей и снижения силы удара при одновременном увеличении его частоты воздействия в зазоре барабан-дека.
При этом бичи на барабане могут устанавливаться сбалансировано в любом вариантном сочетании как с бичами с различной формой и конфигурацией рабочей поверхности, так и с подбичниками с неустановленными на них бичами, то есть барабан в вариантном наборе может быть 8 и 6 бильным, причем сами бичи могут быть выполнены из любого металлического и неметаллического материала.
Подробнее указанная цель раскрывается на нижеперечисленных рисунках с последующим их разъяснением, являющимся предметом формулы изобретения.
Фиг. 1 - на виде сбоку схематично показаны варианты набора бичей на подбичниках по жесткому и стандартному режиму.
Фиг. 2 - схематично показана развертка барабана с набором бичей (вариант Б).
Фиг. 3 - Пустотелый герметичный барабан.
На указанных рисунках использованы следующие обозначения:
1. Ось барабана.
2. Несущие диски.
3. Подбичник.
4. Бич.
4.1. Уголковый бич -
4.2. Составной рифленый нечетный бич - ;
4.3. Составной рифленый четный бич - ;
4.4. Цельный рифленый левый бич - ;
4.5. Цельный рифленый правый бич - ;
4.6. Гладкий бич - ;
5. Пустотелый герметичный барабан.
5.1. Герметичный замкнутый цилиндр.
5.2. Торцевой диск.
5.3. Втулка.
5.4. Приводной вал.
1. - 12. - номера бичей.
А, Б, В - варианты жесткого режима;
Г - вариант стандартного режима.
Настраиваемый режим обмолота раскрывается на примере 12-бичевого барабана с наиболее распространенной установкой бичей на корытообразных подбичниках, так как в этом варианте применимы бичи с максимально простой конфигурацией, при этом все рассуждения относительно сути изобретения одинаковы и для барабанов без подбичников.
Барабан (Фиг. 1, Фиг. 2) содержит приводную ось 1, несущие диски 2, на которых постоянно закреплены корытообразные подбичники 3, на подбичниках 3 устанавливаются бичи 4, сами подбичники приклепываются к несущим дискам, а по бокам имеют арочные проемы, обеспечивающие доступ к гайкам болтов, крепящих бичи.
В работах [6], [7] раскрыты свойства различных бичей в зависимости от формы их рабочей поверхности - прямые уголковые бичи лучше вымолачивают, гладкие эластично воздействую на продукт обмолота, а рифленые занимают промежуточное между ними положение.
В этой связи, исходя из вида культуры и ее физического состояния, на барабане возможна различная комбинация бичей с условным разделением режимов: на жесткий, стандартный, эластичный.
Условно жесткий режим (варианты А, Б, В, Фиг. 1) предусматривает обязательное наличие в наборе прямых уголковых бичей.
Применение в жестком режиме прямых бичей не означает тотального увеличения дробления зерна, так как их минимально возможное количество на барабане уменьшает частоту ударов по хлебной массе, но при этом обеспечивается максимальный вымолот, а следующие за ними бичи другой конфигурации обеспечат как сепарацию на деке, так и щадящее отношение к зерну и соответствующее снижение энергоемкости процесса.
Управление «жесткостью» обмолота может быть многовариантным, так как количество прямых уголковых бичей на барабане в сбалансированном по динамике наборе может быть 2-3-4 и более.
При этом улучшение сепарации и эластичный обмолот будет осуществляться соответствующим сбалансированным одновременным набором бичей с другой рабочей поверхностью - рифленых, гладких, неметаллических и т.д.
Даже возможен вариант, когда на 12-бильном барабане на отдельных подбичниках в сбалансированной последовательности бичи на отдельных подбичниках не будут устанавливаться вовсе, то есть, барабан может быть 8- или 6-бильным.
Кроме того, усиление эффекта равномерного поперечного распределения хлебной массы по подбарабанью можно осуществить за счет применения составных бичей с разнонаправленным наклоном рифов - четных 4.3 и нечетных 4.2, стык которых смещен относительно середины барабана на величину до 0.25 длины барабана (например, Фиг. 2).
Так у нечетных бичей 4.2 наклон рифов по ходу вращения направлен в разные стороны от стыка (условно - собирающие бичи), а у четных 4.3 - к стыку (условно - распределяющие бичи).
Смещение стыка относительно середины барабана в сторону полевого делителя обусловлено ранее раскрытыми данными о смещении центра плотности хлебной массы, поступающей в молотильное устройство [8], [9].
Таким образом, подбирая соответствующее количество прямых уголковых бичей 4.1 и, скажем, с преимущественно согласованным набором нечетных бичей 4.2 на барабане можно задать жесткий режим для трудно обмолачиваемых культур (ячмень, овес) с одновременно активным распределением хлебной массы по подбарабанью, причем относительно центра ее плотности.
Кратность бичей числам два и три одновременно позволят производить сбалансированную установку практически любой конфигурации бичей на барабане.
Интенсивностью обмолота, эффективностью сепарации и энергоемкостью предложенным набором бичей можно достаточно эффективно управлять путем применения не цельных бичей, а в виде отрезков бичей, устанавливаемых на одном подбичнике с зазором между собой перекрываемым отрезком бича, устанавливаемым как минимум на другом очередном по ходу вращения подбичнике, кроме того, можно задать спиральное или шевронное расположение отрезков бичей.
В стандартном режиме прямые уголковые бичи не применяются, при этом в наборе применяются преимущественно различные варианты рифленых бичей, как цельных с однонаправленным наклоном рифов 4.4, 4.5, так и составных «четных» или «нечетных» 4.2, 4.3 в различной комбинации (вариант «Г», Фиг. 1).
В этом режиме наряду со стальными рифлеными бичами могут применяться отдельные бичи с гладкой поверхностью 4.6 из различных цветных металлов и с неметаллической поверхностью.
Например, для обмолота семян кондитерского подсолнуха и мучных сортов кукурузы до половины набора могут составлять бичи с гладкой поверхностью 4.6.
Сами бичи с гладкой поверхностью 4.6 по форме рабочей поверхности могут быть разными: равномерно скругленными с различным радиусом закругления, неравномерно скругленными с различной кривизной по ходу вращения и т.д.
Эластичный режим предусматривает такой набор бичей, при котором максимально минимизируется вымолот ударом, но усиливается эффект вытирания. Такой режим востребован на мелкосемянных культурах - таких как лен, семена люцерны, эспарцета и др.
Вариантным набором бичей при этом режиме будет минимум рифленых металлических бичей при преимущественном количестве гладких стальных и бичей с неметаллической рабочей поверхностью. Возможен даже такой режим, при котором рифленые бичи в наборе будут исключены полностью.
При наличии за счет подбора бичей многовариантного управления режимом обмолота, обеспечивающего уборку практически любых культур, вытекает целесообразность решения проблемы образования дисбаланса бильного барабана с одновременным увеличением его инерционности без применения специальных бичей и брусков.
Эта проблема решается тем, что основанием для корытообразных подбичников 3 является пустотелый замкнутый герметичный цилиндр, посаженный на приводной вал.
Такой бильный барабан Фиг. 3 состоит из сплошного металлического цилиндра, на наружной поверхности которого закреплены постоянно или съемные корытообразные подбичники 3, на подбичниках 3 устанавливаются различные в вариантном наборе бичи 4. Подбичники 3 в поперечнике имеют сквозные арочные проемы для доступа к гайкам болтов, удерживающих бичи.
По торцам цилиндр 5.1 заглушен герметичными торцевыми дисками 5.2 с втулками 5.3, которые с помощью шпонок посажены на приводной вал 5.4.
При таком исполнении барабана с одной стороны значительно сокращается его лабиринтность и как следствие исключается его вместимость для случайного накопления пожнивного материала.
Объем самих корытообразных подбичников для накопления пожнивного материала незначителен для создания заметно ощутимого дисбаланса барабана.
Наличие сквозных проемов на подбичниках будет обеспечивать активное вентилирование их внутрикорытного пространства.
Весьма существенным в этом случае является то, что значительно повышается момент инерции барабана способный не только стабилизировать скоростной режим обмолота, но и полностью компенсировать возможный дисбаланс барабана от неравномерно накопившейся массы внутри корытообразных подбичников.
Принципиальным достоинством такой конструкции барабана является его высокая технологичность и простота изготовления при одновременном увеличении его продольной жесткости.
Таким образом, указанные признаки являются новыми, не очевидными, промышленно применимыми и полностью обеспечивают решение данным изобретением обозначенной проблемы.