Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

A THEORETICAL MODEL OF THRESHING METALOONA CULTURES INERTIAL ACESSEM THRESHING-SEPARATING DEVICE

Ryadnov A.I. 1 Fedorova O.A. 1
1 Volgograd state agrarian University,Ministry of agriculture of the Russian Federation
Теоретически определены условия вымолота зерна молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа соргоуборочного комбайна новой конструкции. Для отделения зерна от плодоножки методом очеса следует обеспечить необходимую угловую скорость битера молотильно-сепарирующего устройства, а для отрыва зерна от ее плодоножки – силу инерции зерна, которая должна быть больше силы связи зерна с плодоножкой. Требуемые для вымолота зерна угловая скорость битера молотильно-сепарирующего устройства и сила инерции зерна рассчитываются по полученным в данной статье зависимостям, учитывающим геометрические и кинематические параметры молотильно-сепарирующего устройства (угловую скорость и радиус битера, радиус лопасти), характеристики обмолачиваемой сельскохозяйственной культуры (массу и максимальный размер (длину или диаметр) зерна, длину верви метелки высшего порядка и силу связи зерна с плодоножкой), а также коэффициент трения зерна о лопасть битера.
Theoretically the conditions violate grain threshing-separating device inertial okisnogo type corroborates combine new design. To separate the grain from the stalk method combing should provide the necessary angular velocity of the beater threshing-separating device, and for the separation of grain from its stalk – force of inertia of grain, which must be greater than the coupling strength of the grain from the stalk. Required for Violeta grain angular velocity of the beater threshing-separating device and the inertial force of the grain is calculated by obtained in this article to dependencies that take into account geometric and kinematic para-meters threshing-separating device angular velocity and the radius of the beater, the radius of the blade), characteristics obmolachivanie crops (mass and maximum dimension (length or diameter) of the grain, the length of Verviers panicles of the highest order and relationship strength of grain from the stalk), and the coefficient of friction of grain on the blade of the beater.
inertial oceny method of threshing metaloona cultures
beater
threshing-separating device
the seed
the stalk
the inertial force

Для разработанной конструкции соргоуборочного комбайна, оборудованного молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа, до настоящего времени не дано теоретическое обоснование условий очеса и инерционного отрыва зерна метелочных культур от плодоножки. Поэтому исследование данного вопроса – актуальная задача.

Цель исследования

Получить математические зависимости, определяющие условия очеса и отрыва зерна от плодоножки молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа.

Метод исследования

Использован аналитический метод.

Результаты исследования

Инерционно-очесный способ обмолота метелочных культур назван нами так потому, что при этом способе отделение некоторых зерен от их плодоножек происходит за счет сил инерции, а других – очесом. Данный способ обмолота использован в нескольких модификациях разработанных нами комбайнов для уборки на корню сельскохозяйственных культур [3, 4, 5]. Основным элементом молотильно-сепарирующего устройства (МСУ) во всех модификациях комбайна является «щелевой битер с транспортирующей пластиной» [2].

Рассмотрим теоретические предпосылки обмолота метелочных культур, например веничного сорго, МСУ инерционно-очесного типа с учетом полученных результатов в работах [1, 6].

Исследования показали, что отрыв зерна от плодоножки при его очесе происходит за счет разрыва плодоножки и ее излома.

Рассмотрим схему сил, действующих на плодоножку в момент ее разрыва и излома.

1 – лопасть битера, 2 – зерно, 3 — плодоножка

Рис. 1. Схема сил, действующих на плодоножку

На зерно действуют силы:

1. G = g – сила тяжести зерна, (1)

где – – масса зерна, g — ускорение свободного падения.

2. Fц = 2R – центробежная сила, (2)

где – угловая скорость битера, R – радиус кривизны лопасти битера.

3. Fтр = fN – сила трения, (3)

где f – коэффициент трения плодоножки о лопасть битера, N — реакция.

4. Тс – сила натяжения плодоножки.

Определим силу натяжения плодоножки при растяжении и изгибе. Для этого спроецируем все силы, действующие на плодоножку, на ось х (рис. 1):

Fц + Тс (1 – cos) + Gcos – N = 0, (4)

где – угол между осью x и вертикалью, – угол между осью x и направлением силы Тс.

Из (4) с учетом выражений (1) – (3) после преобразований получим:

Тс = . (5)

Спроецируем все силы, действующие на плодоножку, на ось y с учетом (3):

Gsin + Тсsin – fN = 0 (6)

Выразив из (6) N и подставив в (5), получим:

Подставив выражение (6) в (5) и учитывая зависимости (1) и (2) , получим:

Тс = . (7)

Под воздействием силы Тс плодоножка растягивается и прижимается к лопасти. При этом напряжение на разрыв, возникающее в плодоножке, равно:

σр = Тс / S,

где S = dn2/4, здесь dn – диаметр плодоножки в месте контакта ее с лопастью битера.

При σр [ σр] происходит разрыв плодоножки от растяжения, т.е. для разрыва плодоножки должно выполняться условие:

Тс dn2 [ σр] /4. (8)

При касании плодоножки части битера, которая отделяется щелью от лопасти, происходит изгиб плодоножки.

Изгибающий момент равен:

Миз = G∙a + Fц ∙h =(ga + 2 Rh), (9)

где a и h – соответственно плечи внешних сил G и Fц.

Напряжение изгиба равно:

σиз = Миз / Wиз, (10)

где Wиз = dn3/32 – момент сопротивления.

Излом плодоножки от изгиба произойдет, если σиз [ σиз].

После отрыва зерна от плодоножки необходимо, чтобы оно попало в щель битера.

Чтобы определить условие попадания зерна в щель битера, рассмотрим схему сил, действующих на зерно в момент попадания его в щель битера (рис. 2).

1 – битер правый, 2 – битер левый, 3 – лопасть битера, 4 – щель,

5 – обмолачиваемое растение

Рис. 2. Схема сил, действующих на зерно в момент попадания его в щель битера

Спроецируем все силы, действующие на зерно, на ось x:

Fтр – Gcosγ – Fцcos = 0. (11)

Из равенства (11) получим условие попадания зерна в щель:

Gcosγ + Fцcos Fтр. (12)
Спроецируем все силы, действующие на зерно, на ось y:

N + Fцsin – Fк – Gsin+ Fц1 = 0, (13)

где Fк = 2mv0 – сила инерции Кориолиса (здесь v0 – относительная скорость движения зерна по лопасти), Fц1 = mRл – центробежная сила, вызванная относительным движением зерна по криволинейной лопасти (здесь — угловая скорость движения зерна по криволинейной лопасти, Rл – радиус лопасти).

Выразив N из (13) и подставив полученное выражение в (12) с учетом зависимостей (1), (2) и (3), а также Fк и Fц1, получим:

. (14)

Из неравенства (14) получим зависимость для расчета минимального значения угловой скорости битера, при которой зерно будет поступать к щели битера:

. (15)

Таким образом, для отделения зерен от их плодоножек методом очеса необходимо обеспечить угловую скорость битера, рассчитанную по зависимости (15) при заданных конструктивных параметрах.

Как отмечалось выше, при инерционно-очесном способе обмолота метелочных и зерновых колосовых культур отделение зерен от их плодоножек происходит не только очесом, но и за счет сил инерции. Рассмотрим этот процесс.

В соответствии с основным уравнением удара одного тела о другое импульс силы равен приращению количества движения:

, (16)

где Р – сила, действующее на необмолоченное зерно массой в момент удара по нему лопастью битера при равномерном вращении вокруг оси О (рис. 2) с угловой скоростью , — продолжительность удара лопасти битера о зерно, U – линейная скорость зерна в момент его отрыва вместе с плодоножкой от лопасти.

При неупругом ударе лопасти о зерно путь, пройденный зерном по лопасти за время удара, близок к диаметру (или длине) зерна d.

Тогда продолжительность удара лопасти битера о зерно равна:

= d/V = d/ . (17)

Приращение количества движения:

= (U2 – U1 ), (18)

где U1 – скорость зерна до удара (U1 =0), U2– скорость зерна после удара.

Тогда:

= U2. (19)

Перепишем уравнение (16) с учетом (18) и (19):

откуда:

. (20)

Направление скорости U2 в момент отрыва зерна от лопасти совпадает с касательной к дуге К1К2 (см. рис. 3) в точке К1, т.е. будет совпадать с направлением оси y.

Центробежная сила, действующее на зерно в момент его отрыва от лопасти, равна:

, (21)

где Lв — длина ветви метелки высшего порядка.

Отрыв зерна от плодоножки произойдет при условии: (Fсв – сила связи зерна с плодоножкой), которое с учетом (21) примет вид:

. (22)

Чтобы определить U2, рассмотрим схему сил, действующих на зерно в момент удара по нему лопастью битера (рис. 3).

Рис. 3. Схема сил, действующих на зерно в момент удара по нему лопастью битера

На зерно в момент удара по нему лопастью битера будут действовать силы: сила тяжести G (см. рис. 3), нормальная сила N, сила трения Fтр, центробежная сила Fц, сила инерции Кориолиса Fк и сила связи зерна с плодоножкой Fсв.

После удара зерно перемещается из точки К1 в точку К2 по дуге окружности с центром в точке соединения веточки метелки со стеблем.

Спроецируем все силы, действующие на зерно, на ось y:

N + Fцsin + Fкsin– Gsin – Fсв = 0,

откуда получим, что Р = N + Fцsin + Fкsin– Gsin. (23)

Спроецируем все силы, действующие на зерно, на ось x:

Fцcos + Fкcos + Gcos– Fтр = 0

Учитывая выражение (3), получим:

N = (Fцcos + Fкcos + Gcos. (24)

Подставив полученное выражение в (23), получим:

Р = (Fцcos + Fкcos + Gcos+ Fцsin + Fкsin– Gsin. (25)

Тогда зависимость (20) с учетом (25) примет вид:

Подставляя данное выражение в (22), получим:

. (26)

Таким образом, определено условие отрыва зерна от плодоножки за счет сил инерции.

Вывод

Теоретически определены условия вымолота зерна молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа соргоуборочного комбайна новой конструкции. Для отделения зерна от плодоножки методом очеса следует обеспечить необходимую угловую скорость битера молотильно-сепарирующего устройства, а для отрыва зерна от плодоножки за счет сил инерции – силу инерции зерна, которая должна быть больше силы связи зерна с плодоножкой. Требуемые для вымолота зерна угловая скорость битера молотильно-сепарирующего устройства и сила инерции зерна рассчитываются по полученным зависимостям при заданных геометрических и кинематических параметрах молотильно-сепарирующего устройства и характеристиках обмолачиваемой сельскохозяйственной культуры.

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ по проекту «Разработка и исследование инерционно-очесного способа обмолота зерновых колосовых и метелочных культур на корню и технологии для его реализации», договор № НК 13-08-01085\15.

Рецензенты:

Николаев А.П., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Лесное и водное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград;

Гапич Д.С., д.т.н., заведующий кафедрой «Ремонт машин и ТКМ» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград.