ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНАЯ МАШИНА

Изобретение относится к зерноочистительным машинам и предназначено для очистки и сортирования семян сельскохозяйственных культур.
Известна зерноочистительная машина, включающая раму, решето, установленное с возможностью колебания для зерна, снабженное выпуклыми козырьками, прикрепленными к боковым кромкам решета. Машина снабжена валом, расположенным под углом к горизонтальной плоскости, поддоном для фракции прохода зерна и механизмом уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания. Решето жестко связано с валом, поддон для фракции прохода зерна закреплен на валу посредством подшипниковых узлов и связан с решетом при помощи механизма уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания, ось которого закреплена в раме. Два ограничителя движения поддона и фиксатор его крайнего положения, закреплены на раме. Двигатель выполнен асинхронным и однофазным. Ротор двигателя соединен с валом, а рабочие обмотки статора соединены с сетью переменного тока.
3
Недостатками известной зерноочистительной машины является невысокие эффективность и устойчивость процесса сепарации зерновой смеси из-за незначительной величины начального момента однофазного двигателя в крайних точках траектории движения поддона. (А.с. RU 2240872, МКИ 7 В 07 В 1/28, 1/38, 2004; А.с. 1798857 СССР, МКИ Н 02 К 1/22; А.с. RU 2175273, МКИ 7 В 07 В 1/28, 1/38; А.с. СССР №889143, МКИ В 07 В 1/38, 1981; А.с. СССР №713613, МКИ В 07 1/28, 1978).
Целью изобретения является повышение эффективности и устойчивости процесса сепарации зерна в зерноочистительной машине.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в зерноочистительной машине, содержащей раму, вал, расположенный под углом к горизонтальной плоскости, соединенный с рамой посредством подшипниковых узлов, поддон, закрепленный на валу посредством подшипниковых узлов, решето с прикрепленными к его боковым кромкам выпуклыми козырьками, жестко связанное с валом, соединяющий поддон и решето механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания, ось которого закреплена в раме, два ограничителя движения поддона и фиксатор его крайнего положения, закрепленные на раме, двигатель асинхронный и однофазный, ротор которого соединен с валом, а рабочая обмотка статора соединена с сетью переменного тока, согласно изобретению, ротор двигателя выполнен короткозамкнутым с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы.
Благодаря тому, что в зерноочистительной машине используется ротор двигателя, выполненный короткозамкнутым с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы, обеспечивающий больший начальный момент в крайних точках траектории движения поддона, происходит повышение эффективности и устойчивости процесса сепарации зерновой смеси в зерноочистительной машине.
На фиг.1 и фиг.2 представлены чертежи зерноочистительной машины в разных проекциях, на фиг.3 и на фиг.4 показано распределение масс элементов и векторные диаграмма усилий, приведенных к точке удара, в момент времени пуска и в момент времени после упругого удара, на фиг.5 изображены механические характеристики однофазного асинхронного двигателя, на фиг.6 показана конструкция короткозамкнутого ротора с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы, а на фиг.7 представлены линеаризованные механические характеристики однофазного асинхронного двигателя снабженного ротором, выполненным короткозамкнутьм с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы.
Сущность изобретения поясняется схемами и характеристиками, представленными на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7.
Зерноочистительная машина (Фиг.1, фиг.2), содержит раму 12, вал 8, расположенный под углом к горизонтальной плоскости, соединенный с рамой посредством подшипниковых узлов, поддон 3, закрепленный на валу посредством подшипниковых узлов 10, решето 5 с прикрепленными к его боковым кромкам выпуклыми козырьками 4, жестко связанное с валом посредством жестких связей 9, соединяющий поддон и решето механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания 6, ось которого 7 закреплена в раме 12. Зерноочистительная машина снабжена двумя ограничителями движения поддона 2, фиксатором крайнего положения поддона 13, закрепленными на раме. Рабочая обмотка статора асинхронного и однофазного двигателя 1 соединена с сетью переменного тока, а ротор двигателя соединен с валом 8 и выполнен короткозамкнутым с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы.
Зерноочистительная машина работает следующим образом.
Зерновая смесь подается на решето 5. Поддон, решето, масса зерновой смеси, вал и двигатель начинают движение посредством освобождения поддона из фиксатора 13, расположенного на раме 12 под действием активного момента, приведенного к валу и возникающего от равнодействующей сил тяжести смещенного относительно оси OY поддона и решета (фиг.3а)). Масса зерновой смеси, засыпанная в решето первоначально момента не создает. Асинхронный однофазный двигатель 1 разгоняется до установившейся скорости и обеспечивает дальнейшее движение машины посредством существующих между валом 8 и решетом 5 жестких связей 9. Поддону 3 движение от двигателя передается через решето 5 и механизм уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания 6. Поддон поворачивается до своего крайнего положения и ударяется об ограничитель движения 2. При ударе часть кинетической энергии подвижных частей машины (поддона, решета, зерна, вала, двигателя) рассеивается в виде тепла, а часть кинетической энергии остается у подвижных частей машины. Скорость подвижных частей машины после удара меняет знак, к валу двигателя прикладывается приведенный момент от активных сил, направленных в противоположную сторону от ограничителя движения поддона, и двигатель начинает разгоняться в обратную сторону. Исполнение ротора короткозамкнутым с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы, обеспечивает увеличенный начальный момент движения при начальной скорости, отличной от нуля. В результате поддон 3 движется ко второму ограничителю движения 2, где вновь происходит упругий удар и цикл работы машины повторяется. Вследствие того, что колебание решета и поддона для фракции прохода зерна происходят в противофазе, осуществляется уравновешивание сил инерции, возникающих при колебании. При этом из-за разности длин плеч L1 и L2 рычага механизма уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания (фиг.2) колебание решета и поддона для фракции прохода зерна происходит с различной амплитудой. Зерновая смесь, попадая на козырьки 4, направляется ими обратно на решето, за счет чего происходит интенсивное перемешивание зерна. Зерновая смесь под действием колебаний и упругих ударов перемещается поперек решета 5, а за счет наклона -вдоль решета 5. Часть зерна попадает сквозь отверстия решета 5 на поддон 3 для фракции прохода зерна, а часть (фракция схода) перемещается к сходовой кромке решета 5. Вследствие того, что после удара об ограничитель движения двигатель обеспечивает увеличенный начальный момент благодаря исполнению ротора короткозамкнутым с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы, возрастают начальные ускорения ротора, решета и поддона.
При таком использовании зерноочистительной машины повышается эффективность и устойчивость процесса сепарации зерновой смеси в зерноочистительной машине.
Технологический цикл сепарации зерна зерноочистительной машины начинается с процесса пуска, высвобождения фиксатором поддона и сопровождается упругими ударами об ограничители движения поддона. При пуске и упругих ударах для двигателя формируются условия по скорости и усилиям, приложенным к валу, необходимые для дальнейшего
движения асинхронного однофазного двигателя, не обладающего пусковым моментом без дополнительной пусковой схемы.
п
р
фс
п
р
На фиг.3 а), представлено распределение масс машины при пуске с указанием точек приложения сил тяжести поддона (Р), решета (Р) и фракции схода зерна (Р). Оси симметрии поддона и решета в момент времени начала пуска смещены относительно оси симметрии машины OY, что определяет наличие начального момента от сил тяжести Р, Р. Приведение сил к точке удара (А) дает отрицательное результирующее усилие, направленную в сторону начала движения (вниз на фиг.4 а)):
п
p
фс
п
р
фс
где: F, F и F - приведенные силы к точке удара А, соответствующие силам тяжести поддона решета и фракции схода зерна (Р, Р и Р) соответственно;
T
F - приведенная к точке удара А реактивная сила трения в подшипниковых опорах, возникающая с началом движения.
Численное значение силы, соответствующей весу фракции схода зерна, в неравенстве (1) взято по абсолютной величине, так как знак ее определяется при загрузке зерна в машину случайными факторами, а в (1) учитывается наихудший случай по условиям пуска. При пуске двигатель, благодаря балансу сил на векторной диаграмме (фиг.3 а)), получает в соответствии со вторым законом Ньютона ускорение и начальную скорость.
Для электромагнитного момента однофазного асинхронного двигателя М справедлива формула [Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики: Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. и доп.-Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1985 -368 с., ил.]:
D
где: I - ток двигателя;
с
ω - синхронная скорость;
m
х - индуктивное сопротивление цепи возбуждения двигателя;
х - полное индуктивное сопротивление двигателя;
r - активное сопротивление ротора двигателя;
υ - относительная угловая скорость двигателя.
На фиг.5 представлены, построенные по (2) для различных г, механические характеристики двигателя М(υ).
3
Получая незначительную начальную скорость в начале движения за счет действия активных сил (1) двигатель продолжает разгоняться до установившейся скорости. Разгон идет интенсивнее, а процесс сепарации зерновой смеси происходит эффективнее, при больших сопротивлениях ротора, что обеспечивает использование короткозамкнутого ротора с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы (фиг.6). Размеры пазов выбираются по формуле (3) [А.с. 1798857 СССР, МКИ Н 02 К 1/22. Ротор короткозамкнутого асинхронного двигателя. /С.П.Курилин, А.Е.Малиновский, В.Ф.Мартынов, Л.Н.Макаров (СССР). - 4 с.: ил.]:
где , , у(β)=β·(1,664-1,038·β)+0,375 - коэффициенты и соотношения для выбора линейных размеров пазов трапецеидальной и овальной формы для ротора в соответствии с фиг.6.
Как показано в а.с. №1798857 такой выбор форм и размеров пазов (3) обеспечивает повышенное активное сопротивление ротора г при пусках, за счет дополнительного вытеснения тока из овального паза в верхнюю часть трапецеидального паза.
Когда поддон подходит к своему крайнему положению, происходит упругий удар его об ограничитель движения поддона. Скорость поддона после удара вдоль линии удара AN (фиг 4 б), в)) рассчитывается:
1
1
u=-k·ν, (4)
1
1
где v и u - линейные скорости поддона по линии удара AN (нормали) до удара и после него соответственно;
k - коэффициент восстановления.
Коэффициент восстановления характеризует убыль кинетической энергии тел в результате удара:
1
где m -приведенная к точке удара масса поддона, решета, вала, двигателя и зерна.
2
2
2
Соотношения (5) и (6) получены в предположении, что ограничители движения поддона, закрепленные на раме, неподвижны до и после удара (v=0 и u=0), а масса второго соударяющегося тела (рамы и ограничителей движения поддона) равна бесконечности (m=∞). (Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -3-е изд., перераб.-М.:Наука, 1965.-848с., ил.).
1
Выбор размеров паза по (3) обеспечивает для привода зерноочистительной машины не рост пускового момента, который в предложенной схеме включения однофазного двигателя отсутствует (фиг.5), а рост начального момента двигателя М(υ) сразу после завершения ударного взаимодействия ограничителей движения поддона и самого поддона.
Принимая во внимание справедливость для асинхронных двигателей отношений
из (2) следует то, что при малых частотах вращения зависимость М(и) практически линейна
а крутизна характеристики определяется величиной r. Поэтому большему активному сопротивлению ротора r"'>r">r' соответствует больший начальный момент М"'>М">М' однофазного двигателя, как это показано на фиг.7.
Таким образом, однофазный асинхронный двигатель с ротором короткозамкнутым с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы (фиг.6) обеспечивает повышенный начальный момент (фиг.7), развиваемый двигателем после ударного взаимодействия, большее ускорение движения поддона и решета, а значит и более эффективную сепарацию зерновой смеси.
1
При 0≪k≤1, что соответствует упругому и не вполне упругому удару и обеспечивается упругими свойствами ограничителей движения поддона, линейная скорость поддона (u) по (4) не равна нулю и меняет знак. При ударе происходит перераспределение движущихся масс зерна фракции схода и прохода (фиг.3б)) и диаграмма сил тяжести, приведенных к точке удара А, имеет вид соответствующий либо фиг.4б), либо фиг.4в), в зависимости от свойств зерновой массы (влажности, сортности и т.п.). Баланс сил, приведенных к точке удара А, способствует возобновлению движения после удара:
1
1
где M(υ) - момент двигателя, рассчитанный по соотношению (2) при начальной скорости, соответствующей линейной скорости поддона в точке удара А после удара (u);
- относительная скорость двигателя после удара;
1
1
ω=u·ρ - угловая скорость двигателя после удара;
- радиус приведения;
1
2
L и L - плечи механизма уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды (фиг.2);
1
r - радиус решета (длина жестких креплений вала двигателя к решету);
фп
фп
F - приведенная к точке удара А сила тяжести зерна фракции прохода Р.
1
Соотношением (8) описывается наихудший случай сочетания знаков приведенных сил для продолжения движения (фиг.3 в) против фиг.3 б)), а выполнение неравенства (8) обеспечивается выбором двигателя по мощности. Использование для асинхронного и однофазного двигателя короткозамкнутого ротора с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы обеспечивает за счет роста М(υ) (фиг.7) усиление неравенства (8), что делает процесс сепарации устойчивым, проходящим без «залипания» подвижной части в крайних положениях поддона.
Из (1)-(8) следует, что при пуске и после упругих ударов, происходящих в процессе сепарации, создаются условия по скорости поддона, решета, зерна и двигателя и силам, действующим на подвижную часть зерноочистительной машины, необходимые для продолжения движения. Поддон, решето и зерно зерноочистительной машины приводятся в движение двигателем, как в момент пуска, так и после ударов в соответствии с технологическим циклом сепарации зерна.
Вследствие того, что в приводе используется асинхронный и однофазный двигатель, снабженный ротором, выполненным короткозамкнутым с чередующимися пазами трапецеидальной и овальной формы, происходит повышение эффективности и устойчивости процесса сепарации зерновой смеси в зерноочистительной машине.