Разработка и обоснование параметров универсального технического средства для уборки ботвы корнеплодов 

В статье рассматриваются вопросы уборки корнеплодов. Разработана оригинальная конструкция машины, использование которой позволит повысить эффективность отделения ботвы от корнеплодов. Представлены теоретические и лабораторные исследования параметров очистителя головок корнеплодов, расстановки бичей и затрат мощности на их вращение.

Введение

В последнее время падение производства корнеплодов отчасти объясняется отсутствием технических средств для их уборки, и поэтому проблема нехватки техники встает с каждым годом все более остро. Для уборки корнеплодов требуется в достаточном количестве производительная, но простая, универсальная и недорогая техника. Передовая техника из Западной Европы конструктивно сложна и многозатратна, окупается при условии высокой урожайности корнеплодов и большой сезонной выработки главным образом за счет продления периода уборки, что экономически нецелесообразно, так как при ранних сроках уборки теряется до 30% потенциала урожая. Кроме того, тяжелая корнеплодоуборочная техника массой более 30 т является одной из причин деградации почв [1].

Цель исследований - повышение эксплуатационной надежности доочистителя головок корнеплодов от ботвы совершенствованием его конструктивных параметоров.

Основная часть Патентный поик

Для достижения поставленной цели был проведен патентный поиск, который показал, что известна машина для уборки корнеплодов, содержащая    последовательно расположенные ботвосрезающее устройство в виде косилки-измельчителя с бункером- накопителем, катки для смятия черешков ботвы с горизонтальными осями качения, установленными не под прямым углом к продольной оси машины, с рифленой рабочей поверхностью из эластичного материала и ротор с эластичными бичами для очистки головок корнеплодов на корню от остатков ботвы [2].

Такая машина позволяет эффективно срезать основную часть ботвы на высоте 30…80 мм от головок корнеплодов, но не позволяет добиться полной очистки головок корнеплодов от черешков ботвы. Это происходит потому, что катки для смятия черешков ботвы наклоняют их вперед, накрывая остатками ботвы головки впереди стоящих корнеплодов. При этом существенно затрудняется доступ эластичных бичей очистителя головок к наиболее слабому месту крепления корешков ботвы непосредственно на головках корнеплодов, а основная масса черешков ботвы гасит кинетическую и упругую энергию эластичных бичей очистителя, во многом снижая эффективность их работы по отделению черешков ботвы от головок корнеплодов.

В БГАТУ разработана оригинальная конструкция машины для уборки ботвы корнеплодов (рис. 1) [3], состоящая из ботвосрезающего устройства 1, выполненного в виде косилки-измельчителя с бункером-накопителем, на которую при помощи механизма навески 2 и разгрузочной пружины 3 с передающей от нее усилие цепью 4 навешивается очиститель головок корнеплодов 5 с ротором, включающий гидромотор 6, установленный на несущей конструкции, выполненной в виде редуктора 7, входящие валы 8 которого вместе с закрепленными на них обоймами 9 образуют левую и правую секции  ротора.  К обоймам  9  под углом  g   к оси  ротора  крепятся кронштейны 10    с эластичными бичами 11. 

 

К редуктору 7 крепятся катки 12 и 13 с горизонтальной осью качения для смятия корешков ботвы в виде двух эластичных баллонов низкого давления, их горизонтальная ось качения составляет с центральной продольной осью симметрии по направлению острый угол d (85…88°), а ширина больше ширины обрабатываемого рядка, а их положение относительно валов 8 ротора по высоте регулируется винтовым соединением 14. Сминащие эластичные катки 12 и 13  имеют  рифленую  эластичную  поверхность  под  углом  g   к  их  центральной   оси вращения, большим угла трения ботвы о резину (30…40°) [4], рифы выполнены в виде продольных равнобедренных треугольников с шагом, меньшим половины диаметра головки наименьших стандартных убираемых корнеплодов. Сминающие катки 12 и 13 имеют левое и правое направление навивки рифов, по аналогии [5] с витками многозаходной резьбы винта, на эластичной поверхности катков и устанавливаются соответственно на левую и правую стороны машины, считая по ходу ее движения.

При этом в рабочей нижней части катков 12 и 13 их рифы образуют с перпендикуляром к центральной продольной оси симметрии, обращенные к ней вершинами острые углы g + d . Под острым углом g  к центральной продольной оси валов 8 устанавливаются на обойме 9 кронштейны 10. Эластичные бичи 11 имеют сечение в виде равнобедренной трапеции и крепятся к кронштейнам 10 каждой из секций ротора таким образом, что большие основания трапеций обращены в сторону центральной продольной оси симметрии машины.

Для передачи мощности к очистителю головок корнеплодов 5 на ботвосрезающем устройстве 1 с бункером-накопителем установлены насосная станция с предохранительным клапаном 15, приводящаяся от вала отбора мощности трактора, и бак для масла 16, соединенные между собой и с гидромотором 6 шлангами 17. Подъем очистителя головок корнеплодов 5 в транспортное положение производится при помощи гидроцилиндра 18, а фиксация в этом положении к раме ботвосрезающего устройства 1 с бункером-накопителем осуществляется с помощью цепи 4.

Машина для уборки ботвы работает следующим образом.

При движении машины по полю с корнеплодами ботвосрезающее устройство 1 срезает ботву на высоте 30…80 мм от головок корнеплодов, измельчает ее и подает в бункер-накопитель, откуда она выгружается в транспорт и используется в дальнейшем для кормовых целей. Сминающие левый 12 и правый 13 катки перекатываются по рядкам корнеплодов и проскальзывают вдоль них. При этом черешки ботвы  на головках корнеплодов сгибаются, сминаются, частично обламываются и захватываются рифами на поверхности катков и при их проскальзывании вдоль рядка, вследствие острого угла d установки осей катков, направляются в сторону центральной продольной оси симметрии машины как у левого 12, так и у правого 13 катков, и частично отделяются от головок корнеплодов. Контакт рифленых поверхностей  катков

12 и 13 со всеми расположенными по высоте над уровнем почвы корнеплодами обеспечивается как упругостью эластичной поверхности катков, так и упругими свойствами почвы, а захват смятых черешков ботвы рифами катка на всех разных по размерам стандартных корнеплодах обеспечивается шагом навивки  рифов. Направление черешков в сторону центральной продольной оси симметрии машины левым 12 и правым 13 катками обеспечивается за счет того, что сминающие катки имеют левое и правое направление навивки рифов, и в рабочей нижней части катков рифы образуют с перпендикуляром к центральной продольной оси симметрии машины обращенные к ней вершинами острые углы  g + d , больше угла трения черешков  ботвы

о резиновую поверхность рифов. Для исключения залипания рифов почвой они выполнены в виде тупоугольных равнобедренных треугольников. При этом под действием давления сминающих катков 12 и 13 происходит некоторое выравнивание головок корнеплодов. Необходимая для эффективного смятия черешков ботвы площадь контакта катков с головками корнеплодов, т.е. степень воздействия катков 12 и 13 на корнеплоды, обеспечивается подбором величины избыточного давления в катках и натяжения разгрузочной пружины 3, воспринимающей часть силы тяжести очистителя. Эластичные бичи 11, приведенные во вращение от вала отбора мощности трактора с помощью гидропривода, воздействуют на черешки ботвы и головки корнеплодов в направлении, противоположном движению машины. При этом  первоначальный контакт эластичных бичей 11 с сечением в виде равнобедренной трапеции с черешками ботвы и поверхностью поля происходит имеющими большую кинетическую энергию утолщенными частями бичей, обращенными к центральной оси симметрии машины за счет их установки в каждой из секций ротора с углами  g относительно оси валов 8

ротора, совпадающими с углами и направлениями навивки рифов соответствующих катков. При этом утолщенная часть бичей врезается в основную часть направленных катками 12 и 13 (рис. 1, г) в сторону центральной оси симметрии машины черешков ботвы, скручивая и поворачивая их в сторону, противоположную направлению движения машины, и частично отделяя их от головок корнеплодов. При этом головки корнеплодов максимально раскрываются для последующего воздействия выравненных в  результате  дальнейшего  движения  бичей  их  нижних  частей,  контактирующих    с почвой и головками корнеплодов (рис. 1, д). В этой фазе бичи 11 воздействуют на раскрытые головки корнеплодов с максимально возможным усилием от их упругих свойств, удаляя остатки ботвы (рис. 1, е). В результате повышается кратность воздействия очистителя головок корнеплодов 5 на черешки ботвы за счет последовательно осуществляющихся наклона, смятия и перемещения черешков ботвы в сторону центральной оси симметрии машины с частичным отделением их эластичными катками от головок корнеплодов и размещения основной массы черешков ботвы под удар наиболее массивной части бичей с последующей зачисткой головок корнеплодов силами упругости бичей. Снижение неравномерности расположения головок корнеплодов по высоте после прохода катков за счет вдавливания ими отдельных высокостоящих корнеплодов в почву также создает условия для более эффективного воздействия эластичных бичей 11 на черешки ботвы на головках корнеплодов. Сминающие катки 12 и 13 стабилизируют высоту расположения ротора относительно головок корнеплодов. Ширина установленных по рядам корнеплодов сминающих катков 12 и 13 подбирается с учетом обеспечения ими эффективного воздействия на все корнеплоды, расположенные в соответствующем рядке.

Перевод очистителя головок корнеплодов 5 в транспортное положение осуществляется при помощи гидроцилиндра 18, а фиксация в этом положении к раме косилки-измельчителя с бункером-накопителем осуществляется с помощью цепи 4.

Теоретические исследования

Одним из основных недостатков в работе машин для уборки ботвы является быстрая потеря первоначальной жесткости бичей очистителя головок корнеплодов, что резко снижает их эффективность. Поэтому при обосновании размеров и количества бичей необходимо учитывать величину допустимых деформаций, возникающих при работе очистителя.

Рассмотрим бич, как тонкий, гибкий стержень, который находится под действием силы F, возникающей в результате воздействия со стороны поверхности поля и головок корнеплодов. Один конец бича жестко заделан.

Дифференциальное уравнение упругой линии бича (рис. 2) будет иметь вид [6]

Лабораторные исследования

Эффективность работы машин для уборки ботвы во многом зависит и от расстановки бичей.

Для проведения лабораторных исследований по расстановке бичей и определению затрат мощности на их вращение была изготовлена экспериментальная установка, включающая в себя раму, а также закрепленные на ней ротор и электродвигатель. Ротор был выполнен в виде установленного на двух опорах вала с пластинами для крепления бичей и сменным шкивом. Вращение к ротору передавалось от электродвигателя с помощью ременной передачи. Имитация загрузки ротора производилась с помощью расположенного под валом ротора регулируемой по высоте горизонтальной металлической пластины.

Разность между расстояниями от конца эластичной лопасти и от плоскости до оси вращения ротора определялась величиной вертикальной деформации лопасти.

Для исследований были выбраны следующие типы материалов бичей:

  • кордовая ткань толщиной 3 и 6 мм;
  • прорезиненный двухслойный ремень толщиной 6 и 9 мм;
  • резина толщиной 6 мм.

Исследовались следующие размеры бичей:

- ширина 30, 40, 50, 60 и 70 мм;
- длина 50, 75, 100, 125 и 150 мм.
А также два способа их закрепления на роторе: жесткий и шарнирный. Режимы работы и загрузки доочистителя изменялись следующим образом:
- угловая скорость ротора 73, 98, 133 и 165 с-1;
-величина вертикальной деформации лопастей металлической плоскостью 0, 5, 10, 15 и 20 мм.
Количество устанавливаемых на ротор бичей изменялась от 1 до 6. При установке 6 бичей замеры энергоемкости производились при их расположении как последовательно, так и в шахматном порядке.
Жесткость бичей определялась при их жестком консольном закреплении путем измерения отклонений свободного конца бичей от их первоначального положения под действием приложенной к нему заданной силы.

Мощность, затрачиваемая на перемещение и изгиб лопастей, определялась как разность мощностей, потребляемых электродвигателем во время работы лопастей и холостого вращения ротора без лопастей.
Поскольку напряжение в сети переменного тока не является постоянным, то изменения мощности при холостом вращении ротора производилась во время выполнения каждого опыта. Для измерения мощности потребляемой
электродвигателем применялся переносной измерительный комплект типа К 51, основная погрешность которого при измерении активных мощностей не превышает ±0,5%. Повторность опытов двукратная. При уровне значимости 0,05 доверительный интервал был равен ±0,68 Вт.

Результаты отчетов представлены в таблицах 1, 2, 3, где они аппроксмиируются полиномом Чебышева имеющим вид

 

Шарнирное крепление бичей по сравнению с консольным при их взаимодействии с деформирующей плоскостью и жесткости 70...180 Н/м приводит к увеличению затрат мощности на привод бичей до 1,9…2,2 раз. Это объясняется тем, что при шарнирном креплении бичей требуются дополнительные затраты энергии на возвращение сильно отклоняющихся при ударах бичей в положение равновесия.

По сравнению с холостыми оборотами при значении вертикальной деформаций бичей Δ= 20 мм наблюдается увеличение затрат мощности на вращение бичей в 1,8...4,3 раза при ω= 73 с-1 и в 1,2... 2,4 раза при ω= 165 с-1.

Результаты лабораторных исследований показывают, что добиваться повышения частоты воздействия бичей за счет увеличения их длины l и вертикальной деформации Δ наименее эффективно. Наиболее целесообразно это делать за счет увеличения числа бичей, когда при линейном возрастании коэффициента частоты воздействия затраты мощности W растут лишь в первой степени. При этом бичи должны располагаться в шахматном порядке.

Выводы

  • разработана оригинальная конструкция машины, использование которой позволит повысить эффективность отделения ботвы от корнеплодов;
  • приведено обоснование параметров очистителя головок корнеплодов, результаты которого показывают что:
  • при проектировании бичевых очистителей головок корнеплодов от черенков ботвы необходимо учитывать взаимоотношение допустимых деформаций с параметрами бичей;
  • предложена номограмма, для определения размеров бичей исходя из условия постоянства их жесткости;
  • определено максимальное количество бичей исходя из условия их несоударяемости;
  • расстановка бичей в шахматном порядке по сравнению с расположением их в ряд вдоль оси ротора позволяет снизить затраты мощности на вращение бичей в пре- делах 16,3...31,9%;
  • затраты мощности на вращение бичей зависят от их числа в первой, от ширины бичей во второй, от частоты вращения ротора в третьей и от длины бичей в четвертой степени.

 

Литература 

  1. Мартынов, В.М. Разработка технологии и универсальных технических средств с многофункциональными рабочими органами для уборки корнеплодов: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.20.01 / В.М. Мартынов; [Место защиты: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»].- Уфа, 2012.- 44 с.
  2. А.с. СССР 1097233, МПК А 01D 23/02, 1984.
  3. Машина для уборки ботвы корнеплодов : патент 12896 C1 Респ. Беларусь, МПК A 01D 23/00 / И.Н.Шило, В.А. Агейчик, В.А.Вольский ; заявитель Белорус. гос. аграр. техн. ун-т.– № a 20070621 ; заявл. 24.05.2007 ; опубл. 28.02.2010 // Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасц – 2010.–№ 1.
  4. Ковалев, Н.Г. Сельскохозяйственные материалы / Н.Г. Ковалев, Г.А.  Хайлис, М.М. Ковалев. - М.: Родник, - С. 61.
  5. Иванов, М.М. Детали машин / М.М. Иванов. - М.: Высш. шк., - С.16.
  6. Феодосьев, В.И. Сопротивление материалов / В.И. Феодосьев. – М.: Наука, 2001. - 544 с.420с.
  7. Янке, Е. Специальные функции / Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш. – М.: Наука, – 
  8. Чернышевский, Д.В. Детали машин / Д.В. Чернышевский. – М.: Машиностроение,– 342с.
  9. Семендяев, К.А. Справочник по математике для инженеров и вузов / Семендяев К.А., Бронштейн И.Н. – М.: Наука, 1980. – С.574.
Фамилия автора: Шило И.Н.,  Романюк Н.Н., Агейчик В.А., Свирид И.А.
Год: 2014
Город: Алматы
Яндекс.Метрика