Исследование метода внутреннего уравновешивания режущих аппаратов упругими элементами

Исследование метода внутреннего уравновешивания режущих аппаратов упругими элементами

Р. Р. Хайбуллин, аспирант, Оренбургский ГАУ

Увеличить число двойных ходов ножа и повысить поступательную скорость наиболее распространенного режущего аппарата сегментно-пальцевого типа с одновременным снижением действия инерционных сил можно установкой между ножом и пальцевым брусом упругих элементов с соответствующей характери-стикой[1]. В этом случае кинематическая цепь «двигатель-нож» разгружается от действия сил инерции.

Решение задачи внутреннего уравновешивания созданием колебательной системы «нож — упругий элемент — пальцевой брус» дает следующие преимущества:

— уменьшение сил инерции за счет передачи их непосредственно на раму и разгрузки элементов кинематической цепи, что позволяет повысить скорость ножа;

— снижение затрат мощности на привод за счет снижения давления в шарнирах;

— увеличение долговечности и надежности работы механизма привода за счет сведения до минимума ударов при изменении направления движения;

— уменьшение размеров звеньев привода за счет снижения динамических нагрузок;

— уменьшается маховая масса на кривошипе за счет снижения коэффициента неравномерности хода.

Но при этом есть и ряд недостатков:

— усложняется конструкция механизма привода;

— двигатель должен иметь способность преодолеть сопротивление упругого элемента в момент пуска.

Движение ножа в режущих аппаратах сегментно-пальцевого типа с кривошипно-шатунным приводом можно принять за гармоническое колебательное.

Ход ножа от середины хода можно определить по формуле:

где г — радиус кривошипа;

шt — угол поворота кривошипа; ш — частота вращения кривошипа.

Тогда ускорение ножа будет:

Соответственно, силы инерций в механизме

где т — масса ножа.

При установке упругого элемента с линейной характеристикой и жесткостью с между ножом и пальцевым брусом с нейтралью в середине хода усилие пружины будет

Из условия равенства сил найдется взаимосвязь параметров для внутреннего уравновешения:

Однако в реальном режущем аппарате колебания ножа отличаются от гармонического колебания. Для механизма привода качающейся шайбой перемещение и ускорение определятся по следующим формулам:

1

cosa

Л

• sin (со  t\

cosa7

-(]

1 + к~

sm

г-со • sm

N={pl)vi=\m-a

N=

со і аДі+A2-sitr(co-í))4

Изменение мощности привода режущего аппарата, необходимой для преодоления силы инерции при установке упругого элемента, представлено на графике в процентном соотношении от мощности режущего аппарата без введения уравновешивающего элемента (рис. 1).

Анализируя график мощности, можем отметить появление вторичных максимумов и минимумов. Они возникли в результате измене-

20

10;

%

где к = дат(ат — угол установки качающейся шайбы).

При установке упругого элемента с линейной характеристикой и жесткостью с между ножом и пальцевым брусом с нейтралью середины хода в кинематической цепи «двигатель-нож» пульсирует энергия от разности сил упругости и инерции. Обозначим эту силу через Рр.

Тогда при установившемся движении разность сил инерций и упругости в любой момент времени будет: ^ ^

При этом максимальная сила в приводе равна:

Анализ показывает, что для режущего аппарата с углом установки качающейся шайбы ат=15° амплитуда разности при введении упругого элемента с линейной характеристикой составит менее 8% от сил инерций без введения последнего.

Расход энергии взаимного перехода силы инерции найдется как скалярное произведение векторов силы и скорости. Учитывая, что ось воздействия силы совпадает с направлением скорости,

1 + ЗА2 -2кг •зт2(ш-г) . , ч

.« а, („*=-„(»,))*” ' <">

При введении упругого элемента расход энергии взаимного перехода сил инерций равен:

-10

-20

j/

0 0 6 ^ /9 0 1 2о і 50 1

rot

Рис. 1 - Изменение мощности режущего аппарата в течение цикла при введении уравновешивающего элемента и угле установки качающей-

ся шайбы і

15°

ния преобладания сил инерций над силами упругости пружины.

По нашим расчетам, при введении упругого элемента максимальная мощность, пульсирующая в приводе от разности сил инерции и упругости, будет составлять менее 13% мощности без введения уравновешивающей пружины.

Для того чтобы упругий элемент не препятствовал свободному сходу скошенной массы с режущего аппарата, предложено использовать пары пружин растяжения, предварительно натянутых в диаметрально противоположные стороны на величину хода ножа и вывести упругие элементы из зоны резания установкой их на боковинах жатки (рис. 2). Соединение пружин с режущим ножом выполнено гибким элементом (тросом), переброшенным через роликовые блоки.

Рис. 2 - Схема установки пружин на жатке

Решение задачи внутреннего уравновешивания созданием колебательной системы «нож — упругий элемент — пальцевой брус» имеет большой недостаток, заключающийся в следующем: двигатель должен иметь способность преодолеть сопротивление упругого элемента в момент пуска.

Наиболее неблагоприятным случаем при пуске является нахождение ножа в крайних положениях. При этом преобладание силы сопро-

т

тивления при пуске на порядок выше максимальной силы, пульсирующей в приводе. По этой причине остро встает вопрос о создании запускного механизма, облегчающего пуск режущего аппарата.

Для снижения пускового момента разработан механизм разгона ножа (рис. 3).

3 ^ 6 8 7 2 10

Рис. 3 - Механизм разгона ножа

Устройство работает следующим образом.

С началом движения колебателя 1 по часовой стрелке его воздействие через толкатель 2, шайбу 7, упругий элемент 5, корпус 3 механизма разгона передается ножу 10, движущемуся в этом случае вправо, и изгибает упругий элемент 11. Он деформируется до тех пор, пока возрастающая сила его сопротивления не станет равной силе предварительного сжатия упругого элемента 5. С этого момента, наряду с продолжающейся деформацией упругого элемента 11, начинается деформация упругого элемента 5, а поскольку его жесткость С1 меньше жесткости С2 упругого элемента 11, т. е. С1<С2, он деформируется более интенсивно. При этом приводу оказывает сопротивление система элементов, состоящая из упругого элемента 11 и упругого элемента 5, суммарная жесткость которой из условия

имеет величину, меньшую меньшей из жестокостей, соответственно, и сила в приводе, вызванная перемещением толкателя 2, будет меньше, чем усилие, вызванное деформацией упругого элемента 11 при отсутствии упругих элементов в механизме разгона.

С началом обратного движения — против часовой стрелки — колебатель ослабляет воздействие на упругий элемент 11 и упругий элемент 5, давая им возможность разжиматься. Поворачиваясь от нейтрального положения, колебатель подталкивается некоторое время в этом направлении силами инерций ножа 10, движущегося справа налево и получающего энергию от упругого элемента 11, накопившего ее при деформации.

Благодаря указанному усилию нож получит большее перемещение, чем в предыдущем цикле, а деформация упругого элемента 4, по сравнению с деформацией элемента 5, уменьшится. Таким образом, при разгоне с каждым последующим движением ножа величина хода его из стороны в сторону увеличивается, а деформация упругих элементов 4 и 5 уменьшается, доходя после завершения фазы разгона до величины их предварительного сжатия. Этот момент можно считать началом установившегося движения.

Для того, чтобы в процессе резания не происходила деформация упругих элементов, что может привести к снижению скорости резания и, соответственно, к забиванию режущего аппарата, необходимо, чтобы усилие предварительного сжатия упругих элементов Ар1 было больше сил сопротивления срезу ррез.

АР1 > Рраз-

Минимальная величина предварительной деформации упругого элемента механизма разгона хн определится по следующей формуле:

Жесткость упругих элементов 4 и 5 найдем из условия равенства максимального усилия сжатия системы элементов РтахСэ, состоящей из упругих элементов 5 и 11, максимальной силе Рртах, пульсирующего в механизме привода при установке упругого элемента.

Для определения времени разгона, то есть момента установившегося движения, определим перемещение ножа за каждый цикл (за один ход):

Количество двойных ходов ножа, необходимых для разгона, определится по следующему выражению:

Время разгона определится по следующей формуле:

Таким образом, время разгона зависит от частоты вращения приводного вала и величины предварительного сжатия пружин механизма разгона, причем при их увеличении время разгона уменьшается.

Время разгона ножа очень мало, так как для разгона необходимо небольшое количество двойных ходов ножа. Если даже не учитывать деформацию упругого элемента ножа от усилия предварительной деформации упругого элемента механизма разгона (вторая и третья составляющая), то необходимое количество двойных ходов ножа составит менее 7 двойных ходов. На самом же деле необходимое количество будет еще меньше, так как пружина 11 будет дополнительно деформироваться от усилия предварительного сжатия упругих элементов механизма разгона.

Создание колебательной системы «нож — упругий элемент — пальцевой брус» и примене-

ние механизма разгона позволит уменьшить затраты мощности на привод за счет снижения давления в шарнирах, соответственно увеличится долговечность и повысится надежность работы механизма; даст возможность уменьшить размеры звеньев за счет снижения динамических нагрузок; повысит коэффициент равномерности вращения приводного вала, а значит — уменьшит износ ременной передачи.

Литература

1 Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин: Учебник для вузов сельскохозяйственного машиностроения / Е. С. Босой, О. В. Верняев, И. И., Смирнов, Е. Г. Султан-Шах; под ред. Е. С. Босого. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1977. — 568 с., ил.