Взаимодействие компонентов вороха корнеплодов с витком шнека и вальцом шнеково-вальцового очистителя

Выводы. 1. При разработке технических устройств для сепарации измельчённой хлебной массы с целью повышения эффективности выделения зерна из соломы необходимо стремиться к уменьшению толщины слоя вороха на поверхности соломосепаратора, к предварительному распределению зерна в нижние слои вороха, к активному разрушению соломистого вороха, создающего сквозные щели в слое соломы для прохода свободного зерна, разделению процессов сепарации и транспортирования вороха.

2. Из конструктивных параметров соломосепа-раторов на толщину слоя вороха влияет рабочая ширина, скорость перемещения массы по разделяющей поверхности. От длины соломосепаратора зависит качество его работы.

3. Аксиально-роторные сепарирующие устройства реализуют тонкослойную сепарацию при высокой производительности. Полнота выделения зерна из вороха составляет до 97%. Но данные рабочие органы сильно разрушают и перетирают солому, тем самым перегружают воздушно-решётную очистку мелкими частицами соломы.

Литература

1. Канарёв Ф.М. Кубинская индустриальная технология уборки зерновых/ Ф.М. Канарёв//Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1983. № 8. С. 10 — 12.

2. Кузовлев А.Т. Весь урожай — в закромах //Сельское хозяйство России. 1984. № 1. С. 28 - 29.

3. Гейдебрехт И.П. Проблема полного сбора зерна // Техника и оборудование для села. 2006. № 4. С. 38 — 40.

4. Бублик Н.В. К вопросу сепарации грубого вороха //Земледельческая механика. 1961. Т. 6. С. 53 — 60.

5. Горбачев И.В. Исследование сепарации зерна в зоне активного битера // Доклады Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 1976. Вып. 224 — 2.1. С. 119 — 126.

6. Смирнов Н.А. Анализ основных зависимостей процесса сепарации зерна и слоя соломистого вороха и разработка его статической модели // Сборник научных трудов ВИМ. 1983. Т. 97. С. 71 — 80.

7. Поляков Г.Н. Альтернативная ресурсосберегающая технология уборки зерновых культур и её техническое обеспечение // Технология и средства механизации в АПК: сб. науч. тр. Улан-Удэ: Улан-Уд.книж.изд-во, 2011. Вып.7. С. 58 — 62.

8. Терсков Г.Д. Расчёт зерноуборочных машин. Свердловск: Машгиз, 1961. 215 с.

9. Зубков В.И. Физические основы сепарации грубого вороха // Труды Челябянского института механизации и электрификации сельского хозяйства. 1978. Вып. 140. С. 77 — 84.

10. Кленин Н.И. Изыскание процессов и средств, повышающих пропускную способность молотилки комбайна // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1980. № 6. С. 8 — 12.

11. Могиленец М.И. Влияние кинематических и конструктивных параметров транспортно-клавишного соломотряса на сепарацию зерна из грубого вороха // Сборник научных трудов Московского института инженеров сельскохозяйственного производства. 1977. Т. 14. Вып. 1. С. 109 — 112.

Взаимодействие компонентов вороха корнеплодов с витком шнека и вальцом шнеково-вальцового очистителя

В.М.Мартынов, д.т.н., профессор, Г.П.Юхин, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ

В Башкирском ГАУ разработан шнеково-вальцовый очиститель (рис. 1), способный одновременно очищать от почвы и растительных примесей и перемещать корнеплоды на значительную высоту. Очиститель представляет собой винтовой конвейер с жёлобом, выполненным в виде расположенных с зазором относительно друг друга продольных планок [1 — 3]. Подъём вороха корнеплодов обеспечивается за счёт установки конвейера под углом к горизонту. В процессе работы ворох корнеплодов перемещается по образующей жёлоба в сторону вращения двухзаходной винтовой спирали конвейера, где размещены два вальца с винтовой навивкой.

В этой зоне и происходит эффективная очистка корнеплодов от свободной и связанной почвы, а также растительных примесей.

Материал и методы исследования. Для обоснования конструктивных и кинематических параметров шнеково-вальцового очистителя требуется комплексное рассмотрение поведения компонентов вороха при их взаимодействии с витком шнека и обрешёткой, а также с одним и двумя вальцами. Более ранними исследованиями рассмотрен закон движения компонента вороха при его взаимо-

действии с витком шнека и образующей жёлоба [4, 5]. Также установлено, что предпочтительным вариантом является вращение вальцов и шнека конвейера в одном направлении [5, 6].

Весьма важно установить закономерности движения компонента вороха при достижении им основной зоны очистки, образованной двумя вальцами. Для этого корнеплоду или комку почвы необходимо пройти путь по образующей нижнего вальца, чему способствует приобретённая им ско-

Рис. 1 - Шнеково-вальцовый очиститель вороха корнеплодов в составе комбайна

рость в результате движения по жёлобу винтового конвейера, а препятствует встречное вращение вальца. Поэтому необходимо рассмотреть случай движения компонента вороха корнеплодов в шнеково-вальцовом очистителе, когда он находится на нижнем очищающем вальце.

Поставленная задача решалась с помощью теоретических методов исследования.

Результаты исследования. Рассмотрим компонент вороха (тело), взаимодействующий с витком шнека и вальцом (рис. 2). Для упрощения последующих рассуждений примем допущение, что компонент вороха не вращается, не опрокидывается и не вертится относительно главных осей инерции. Будем считать, что корнеплод занимает наиболее устойчивое положение, когда его главная центральная ось инерции ориентирована вдоль оси шнека. Примем две системы координат — неподвижную Охуг и подвижную Ох1у1г1, поворачивающуюся вокруг оси О^, причём плоскость Ох1г1 проходит через центр масс рассматриваемого тела. Оси Ог и Ог1 совпадают с осью вращения вальца. Их месторасположение характеризуется расстоянием I и углом ее1 относительно оси вращения шнека.

В случае безотрывного движения тела по вальцу его центр масс вращается относительно оси Ог} с постоянным радиусом г1. Координаты центра масс тела равны:

х=т1со8в; у=г^тв; г=аьф,

где в — угол отклонения тела от горизонтальной оси Ох; аь — параметр конвейера; ф=ю^+е0-е— угол поворота витка шнека относительно рассматриваемого тела; ю0 — угловая скорость вращения шнека; ? — время; е0, е — начальный и текущий угол отклонения тела от вертикали.

По рисунку 2 нетрудно заметить, что

rsin (е-eel) = r1sind- п/2+ев1= -rl cos в + ев1; rcos (е— eel) + r¡cose—п/2+ ев1= l.

}

Тогда из выражения (2) определяется текущий угол:

е = еь1 - arctg{r1cos(в+ еЬ1)/[!- гг$т(в+ еЬ1)]}. (3) Подставив это выражение для е в выражении (1), получим:

Щ + £0 -£е1 +

+ arctg

{ cos {в + £в1)}/ /{/ - r, sin{e + £ei)}

Дважды продифференцировав уравнения (1) по времени определим проекции скоростей х, у, z и ускорений на координатные оси Охуг:

z = ав <

Рис. 2 - Схема сил, приложенных к компоненту вороха при его взаимодействии с витком шнека и вальцом

x = —т = -г,кшв-в + cos0 в2);

dt2 1 ''

y = —y = r(cosd  в - sin в  в2); dt

dt2

( в__в2(l2 - r¡2)!  cos(l + ej

[l2 + j - 2r¡l sin

sinC =

= w0r sin^/д/

cosC =

s^-вr¡))

= Ш„ rcosc-t

Так как ав = г  tga с учётом (2) и (3) получим текущий угол подъёма винтовой линии шнека для В проекциях на оси координат Ох1у111 имеем радауса г.

а = аг^ Цг? +12 - 2г11(+ £л1 )/ .

следующие ускорения:

x ¡ = r ¡ в2; y ¡ = r ¡ в; z ¡ = z.

На компонент вороха массой m при его взаимодействии с витком шнека и вальцом действуют: сила тяжести G, нормальные реакции со стороны окончательно п°лучим витка шнека Ni и вальца N2; силы трения о по- ? = верхность винтаfxNx и поверхность вальцаf2N2, где f¡, f — коэффициенты трения компонента вороха корнеплодов соответственно о поверхность винта и вальца.

Проецируя все действующие силы на подвижные оси координат, запишем дифференциальные уравнения движения тела на вальце и шнеке винтового конвейера, установленного под углом Y к вертикали:

mxj = N2 - G sin y sin в + NjSin a sin £ +

+ TjNjCOS a sin

myx = fN\ cos a cos £ - G sin у cos в -

- f N2 cos p + Nj sin a cos £;

mzj = -G cos y + NjCOS a - flNl sin a -

- f N 2sin p.

Исключив нормальные реакции в (6) и с учётом О = т • g и (4) — (6), после преобразований

S4

z¡ = aer¡

где S0 = g sin Y Sin в - rl02;

51 = fl cosa-cos^ + sinacos^;

52 = sina^sin^ +fl cosasin^;

53 = f2 cose + Sx/ S2;

54 = cosa- fl sina+f2 sin^^S2;

55 =(cosa- fl sina)-S0; в2 (l2 - r2 )l  cos(в + ев1) _ [l2 + r¡ - 2r11 sin (в + ее1) '

S6 =

С учётом относительных скоростей рассматриваемого тела и вальца справедливы выражения:

COS в =

l2 - r2 S =_' 'i_

ri -1  Sin

+ 2r1

i+(

l2 - r2

r¡ - l sin

+ 2r ,

sin в =

2 Для заданного месторасположения двух смеж-

• ных вальцов, определяемого углом ев, угол установки нижнего равен.

еЬ1 = е - аг^/'п [(г4-5/2)//], , где 5 — зазор между ними. Размещение смежной

к нижнему вальцу планки жёлоба:

£р =ел1 - агссо8[(^2 + Я2 - р2 )/{2Я1) ,

где К — радиус желоба. Расстояние р вычислим из условия размещения корнеплода минимальных размеров радиуса гктт в зазоре 5р. где гв — радиус вальца.

Уравнения (7) решаются с начальными усло-По рисунку 2 замечаем следующую связь углов: виями:

1 +

r (в + (О.

щ+rfit

l2 - r2

r 1 -1 sin

-2r¡

% = е + 6-ж/2 = £а -

- aгctg{г1 соя( + £л)/[[ - г? 81П((9 + £л )+в-ж/2.

Для угла характеризующего относительные скорости компонента вороха и винта шнека, справедливы следующие соотношения:

в0 = arccos[ + p2 - rl)/{2r,p)] ;

(?0 =

2r i

¿0 (R - rK ) (r¡ + rK / - p2

где гк — радиус компонента вороха; — начальная угловая скорость движения компонента вороха.

d2

z

= ar, х

х

rr

K

Конечный угол определим из условия достижения телом условной границы, которой служит верхний валец:

0К = п/2-£в + arcsm[(re +8/2)/rj.

Если же рассматривать движение компонента вороха по верхнему вальцу, то границей служит установленный над ним оградительный щиток.

Уравнения (7) описывают безотрывное движение компонента вороха по очищающему вальцу. При их численном решении необходимо следить за значением реакции N2, которая должна быть положительной. В противном случае происходит отрыв компонента вороха от вальца, и закон его дальнейшего движения при взаимодействии только с винтом шнека описывается системой уравнений:

r = r¿2 + g sin ^cos £ - p¡n¡r;

£ =

g eos

Y+ n (p1 ((-£) ав - г Цal + j

/ a;

/ ) \\л> f

/ / 1

2 \ S

4\

Z = z0 + ae ((O0t + £o-£), где nj = Nj /m;

P i = fi/Jt2 + (r2 + al)(( - £' У .

С помощью математической модели (7) исследовано влияние угла установки вальцов еь на характер движения почвенного комка по поверхности нижнего вальца. В расчётах приняты: гк= 0,025 м; гв = 0,05 м; Я = 0,52 м; I = 0,565 м; ав = 0,105 м; /1 = /2 = 0,65; ю0 = 6,3 рад/с; юв = 25,2 рад/с; у = 65°.

На рисунке 3 показаны закономерности изменения проекции абсолютной скорости ^Ху=г10 рассматриваемого тела на плоскости хОу в зависимости от угла расположения е в винтовом конвейере. Кривая, изображённая тонкой линией, соответствует скорости движения комка почвы, которую он приобретает при движении по образующей жёлоба в момент подхода к первому вальцу. При построении этой кривой принято, что движение тела начинается при угле е = 0, угловой скорости е = 0 и скорости Уху=гё.

В результате столкновения комка почвы с вальцом его скорость уменьшается в соответствии с (8). Затем комок поднимается по вальцу с уменьшением скорости Гху. При угле установки вальцов в меньше 43° комок, пройдя критическую точку, движется с ускорением, вызывающим повышение окружной скорости Уу (кривые 1 — 3). При угле еь = 44° (кривая 4) комок почвы не в состоянии подняться на первый валец и вынужден опуститься на решётчатую поверхность жёлоба. Поэтому для

0.8 0?6

<j

¿ 0.4

¡a

0

1 0.2

о

0 -02

0 10 20 30 40 50

Угол отклонения комка почвы от вертикали s, град.

Рис. 3 - Изменение скорости почвенного комка в процессе его движения по поверхности вальца при угле установки вальцов:

1 - 38°; 2 - 40°; 3 - 42°; 4 - 44°

его разрушения между вальцами целесообразно принять угол их установки не более 43° [5, 6].

Исследованиями установлено, что при тех же углах установки вальцов ев корнеплоды, имеющие большие по сравнению с комками почвы значения коэффициентов трения (f = f2 = 0,9), подходят к первому вальцу с большей начальной скоростью V' и значительно легче поднимаются на него.

-V

Выводы. Математическое моделирование позволило установить закономерности движения компонента вороха корнеплодов при его взаимодействии с витком шнека и вальцом и при принятых конструктивных и кинематических параметрах шнеково-вальцового очистителя обосновать угол установки вальцов, который не должен превышать 43°.

Литература

1. Патент 2338365. Российская Федерация. Корнеклубнеубо-рочный комбайн / Мартынов В.М., Юхин Г.П., Калимуллин

A.М., Катков А.А.; заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2007109382/12; заявл.14.03.07; опубл. 20.11.08. Бюл. № 32. 7 с. 2. Мартынов В.М., Юхин Г.П., Катков А.А., Калимуллин А.М. Комбайн для уборки корнеклубнеплодов // Сельский механизатор. 2006. № 10. С. 49.

3. Патент 2272394. Российская Федерация. Комбайн для уборки корнеклубнеплодов / Мартынов В.М., Юхин Г.П., Калимуллин А.М., Катков А. А. заявитель и патентообладатель Башкирский ГАУ. № 2004124393; заявл. 10.08.04; опубл. 27.03.06. Бюл. № 9. 6 с. 4. Юхин Г.П., Мартынов

B.М., Катков А.А. Обоснование параметров винтового конвейера-очистителя корнеклубнеплодов // Сборник трудов факультета механизации сельского хозяйства (посвящается полувековому юбилею факультета) / под редакцией А.П. Ио-финова. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2001. С. 112 - 118.

5. Юхин Г.П., Карташов Л.П., Мартынов В.М., Катков А.А. Рекомендации по проектированию очистителей корнеклубнеплодов шнекового типа от почвы. М: Россельхозакадемия, 2005. 36 с.

6. Мартынов В.М. Проектирование рабочих органов и машин для уборки корнеплодов. Уфа: Изд-во Башкирского ГАУ, 2011. 250 с.