Разработка и исследование конструкции кукурузоуборочного комбайна со стреловидной рамой

Рассмотрим недостатки конструкций известных с/х машин для уборки кукурузы. Одним из недостатков, например, комбайна для уборки сельскохозяйственных культур, содержащего жатку, молотилку, за которой навешен на раму измельчитель [1] является то, что в молотильный аппарат комбайна початки кукурузы подаются вместе стеблями. Это приводит к снижению производительности, нарушениям устойчивости технологического процесса (частые забивания молотильного аппарата), повышенным энергозатратам при уборке, а также к интенсивному износу и быстрому выходу из строя молотильного аппарата комбайна. Обмолот початков вместе со стеблями в определенной степени сопровождается увлажнением зерна кукурузы соком, выжатым из стеблей, ухудшением операции очистки зерен от посторонних примесей. При установке соломотряса сзади комбайна подача стеблей производится неравномерно, что приводит к забиванию измельчителя, или его недогрузке. При работе комбайна на подъёме, на продольных склонах ухудшается транспортирующая способность соломотряса. Наличие большого количества механизмов передачи движения от силового агрегата к каждому исполнительному органу, значительно усложняет конструктивно-технологическую схему, снижает надежность и ремонтопригодность, увеличивает металлоёмкость и энергозатраты.

Недостатком, например, кукурузоуборочной машины, содержащей закрепленные на раме ведущий и управляющий мосты, валковую жатку, шнек, транспортёр-питатель, измельчитель и устройство для обработки початков [2] является то, что она не завершает весь технологический цикл уборки кукурузы, при этом все исполнительные устройства смонтированы в одном ряду на раме прямоугольной формы на одной линии «атаки», поэтому при увеличении рядности уборки кукурузы резко, скачкообразно возрастают энергозатраты. Наличие большого количества исполнительных органов вынуждает использовать для передачи им движения большого количества механических передач (цепные, зубчатые и др.), что в значительной степени увеличивает не только металлоемкость и усложняет конструкцию, но и снижает надежность, ремонтопригодность, увеличивает энергозатраты.

Недостатком, например, кукурузоуборочной машины [3], содержащей размещённые на прямоугольной раме ведущий и управляющий мосты, силовой агрегат и снабжённые механизмами для передачи движения валковую жатку, початкоотделяющий аппарат, шнек, транспортёр-питатель, измельчитель, устройство для обработки початков, подборщик валков, размещенный между ведущими и управляющими мостами, при этом шнек и транспортёр-питатель шарнирно связаны с измельчителем и размещены под устройством для обработки початков. Применение подборщика валков и большого числа механических устройств передачи энергии от силового агрегата исполнительным механизмам измельчителя, шнека, транспортера-питателя, початкоотделяющим аппаратам, устройству для обработки початков существенно усложняет конструктивно-техническую схему, повышает металлоёмкость, увеличивает энергозатраты. Режущие аппараты закреплены на прямоугольной раме на одной линии (в одном ряду) «атаки», что при квадратно-гнездовом посеве приводит к резкому, скачкообразному повышению потребляемой мощности в момент среза стеблей очередного ряда, затем режущие аппараты работают вхолостую до среза следующего ряда. Укладка валков на землю и последующая их обработка отрицательно сказывается на качестве уборки урожая. Поэтому необходимо не только уменьшить металлоемкость комбайна, снизить повреждаемость початков кукурузы, а также энергозатраты, но и улучшить ремонтопригодность. Эту задачу можно решить с помощью модульной системы конструирования кукурузоуборочного комбайна. В работе учтен опыт авторов в создании зерноуборочных комбайнов [3- 12] и комбайна для получения гранул из навоза [13].

Результаты исследования

В результате многолетней работы предлагается кукурузоуборочный комбайн смонтированный из отдельных модулей, который схематично изображен на рисунке 1 и рисунке 2.

Модульный кукурузоуборочный комбайн включает: модули с аккумулирующим устройством для срезания стеблей кукурузы 1, модули початкоотделяющие 2 (устройства для отделения початков кукурузы от стеблей), смонтированные параллельно продольной оси комбайна и, наклонные под углом к горизонту, модули транспортера 3 и 4 установленные перпендикулярно продольной оси комбайна и наклоненные под углом к горизонту для поворота, укладки и подачи стеблей в измельчительный модуль 5, модули транспортеров 6 и 7 горизонтально установленные перпендикулярно продольной оси комбайна, а также наклоненный по ходу движения комбайна транспортер 8 для подачи початков в устройство для очистки початков 9 и размещенные на стреловидной раме ведущий и управляющий мосты, силовой агрегат (на рисунках не показаны).

Для выгрузки початков предусмотрен выгрузной транспортер 10, а для выгрузки через окно 11 измельченной растительной массы смонтирован под измельчителем 5, по всей его длине шнек 12 с правой и левой навивкой с возможностью транспортировки и выхода растительной массы на транспортер 13. Под початкоочистительным устройством 9 смонтированы наклонная направляющая 14 и измельчитель 5, которые крепится на раме (на рисунке не показано).

Модули с аккумулирующим устройством для срезания стеблей кукурузы 1 и модули початкоотделяющие 2 (устройства для отделения початков кукурузы от стеблей) закреплены на стреловидной раме (на рисунке не показана) со смещением относительно друг друга и возможностью их регулировки по ширине междурядьев и быстрой замены вышедшего из строя модуля запасным модулем в ходе полевого ремонта.

Рисунок 1- Модульный кукурузоуборочный комбайн, вид сбоку.

Рисунок 2- Модульный кукурузоуборочный комбайн, вид сверху по стрелке А.

Каждый модуль с аккумулирующим устройством для срезания стеблей кукурузы (рисунок 3) состоит из электродвигателя 1, на оси которого закреплен аккумулятор? маховик 2 и пила 3. Как видно из рисунка 3 роль аккумулирующего устройства выполняет сплошной металлический маховик 2, помещённый выше пилы 3.

Рисунок 3? Модуль с аккумулирующим устройством кукурузоуборочного комбайна для срезания стеблей кукурузы Каждый модуль початкоотделяющий модульного кукурузоуборочного комбайна смонтирован параллельно продольной оси комбайна, наклонен под углом к горизонту (рисунок 4, рисунок 5, рисунок 6) состоит из корпуса 1, выполненного по форме делителя передней части, в котором размещены по боковым сторонам по три параллельно расположенные в вертикальной плоскости верхние транспортирующие ленты 2 и 3, средние транспортирующие ленты 4 и 5 и нижние транспортирующие ленты 6, 7.

Верхние транспортирующие ленты 2, 3 и нижние транспортирующие ленты 6 и 7 установлены параллельно друг другу и наклонены по ходу движения модульного кукурузоуборочного комбайна под углом к горизонту. Средние транспортирующие ленты 4, 5 установлены горизонтально, смонтированы между верхними транспортирующими лентами 2, 3 и нижними транспортирующими лентами 6, 7. Средние транспортирующие ленты 4, 5 выдвинуты вперед. Транспортирующие ленты 2, 5 и 6 снабжены приводом, а транспортирующие ленты 3, 4, 7 подпружинены.

Модули транспортёров 3 и 4 (рисунок 1 и рисунок 2) смонтированы наклонно в сторону противоположную движению комбайна. Движение транспортирующих лент транспортеров 3 и 4 с большей скоростью направлены навстречу друг другу и перпендикулярно направлению движения комбайна.

Рисунок 4 — Модуль початкоотделяющий модульного кукурузоуборочного комбайна, вид сбоку.

Рисунок 5 — Модуль початкоотделяющий модульного кукурузоуборочного комбайна, вид A на рисунке 4, вид сбоку.

Измельчительный модуль содержит (рисунок 7) помещенный в кожух 1 барабан 2 с противорежущими пластинами 3. На кожухе 1 закреплены перпендикулярно оси барабана ножи 5. Режущая кромка ножей 5 выполнена в виде пилообразного участка кубической параболы. Противорежущие пластины 3 закреплены на барабане 2 вдоль его образующих перпендикулярно режущим кромкам ножей 5. В теле барабана 2 выполнены между противорежущими пластинами 3 кольцевые канавки 6, в которые заходят ножи 5. В нижней части кожуха 1 расположен желоб 7 в котором смонтирован шнек 12 для транспортировки измельченных частей стебля по желобу 7 к выгрузному окну 11.

Рисунок 6 — Модуль початкоотделяющий модульного кукурузоуборочного комбайна, сечение А-А на рисунке 4.

Барабан 2 снабжен маховиком (на рисунках не показан), сглаживающим возможные пульсации нагрузки и получающий вращение от электродвигателя (на чертежах не показан) Приступая к определению мощности электродвигателя, заметим, что при заданной угловой скорости щ_б барабана 2 тенденция к уменьшению мощности разрезания стеблей на части сводится к тенденции уменьшения радиуса барабана с (рисунок 7). Но с барабана 2 по прочностным соображениям не может быть меньше некоторой величины, которую из конструктивных соображений примем с=150 мм.

Рисунок 7- Измельчительный модуль, поперечный разрез.

Моментом силы разрезания стебля кукурузы М называют произведение силы F на плечо с (рисунок 7). Размерность момента М зависит от того, в каких единицах длины дано плечо силы: если на ножи 5 измельчителя с барабаном 2 радиуса с мм, действует сила F (кГ), то момент этой силы равен:

М = F· с (кГмм) (1).

Чтобы зуб ножа 5 врезался в стебель и снял стружку, к нему надо приложить силу, равную силе резания F. Так как сила действия равна силе противодействия то сила F при плече, равном радиусу с барабана 2 с противорежущими пластинами 3, т. е. половине его диаметра создает момент, равный который должен сообщить привод барабана 2. Момент, передаваемый барабаном 2 при его вращении, называют крутящим моментом М_кр и выражают в тех же единицах измерения, что и М.

Противорежущая пластина 3 при вращении барабана 2 должна передавать каждому стеблю окружную силу, необходимую для снятия стружки со стебля. При этом создается крутящий момент, который зависит от окружной силы F, диаметра D и количества разрезов Если стебель имеет длину l₂ мм, то при разрезании его на кусочки длиной в 40 мм, необходимо выполнить разрезов стебля:

(2).

Чем больше окружная сила F, тем больший крутящий момент должен быть обеспечен барабану 2 и противорежущим пластинам 3. Крутящий момент увеличивается также с увеличением диаметра барабана 2 за счет увеличения плеча — радиуса с барабана 2 с противорежущими пластинами 3 и количества разрезов .

Окружная сила резания F создает крутящий момент М_кр, который необходимо сообщить барабану 2 и его противорежущим пластинам 3. Крутящий момент.

М_кр = F· с· (3).

Мощность резания, или эффективная мощность N_е это мощность, необходимая для разрезания стебля. Мощность резания равна произведению окружной силы резания F в килограммах на скорость резания v в м/мин:

N_e = F · v (кГм/мин) (4).

Для определения мощности резания в зависимости от скорости резания v и окружной силы резания F пользуются формулами:

л.с. (5).

или.

квт. (6).

Зная крутящий момент М_кр и число оборотов n барабана 2, а также количество разрезов n₃ определяют мощность резания по формулам:

л.с. (7).

квт. (8).

С учетом коэффициентом полезного действия з. Мощность электродвигателя барабана 2 определяется по формуле:

квт. (9).

Кукурузоуборочный комбайн работает следующим образом.

При работе комбайна стебли двух рядков подводятся делителями в зазор между средними транспортирующими лентами 4 и 5 двух смонтированных рядом модулей початкоотделяющих 2 (рисунок 4, рисунок 5, рисунок 6) которые удерживают стебель в момент срезания модулем с аккумулирующим устройством для срезания стеблей кукурузы 1 и захватываются транспортирующими лентами 2 и 3, а также 6 и 7, которые несут срезанные стебли вверх и одновременно поворачивают их вокруг своей оси, при этом средняя пара транспортирующих лент 4 и 5 обеспечивает перемещение початка кукурузы относительно стебля вниз и поворот его вокруг своей оси и оси стебля.

Отделенные от стеблей початки (рисунок 1) транспортёрами 6, 7, 8 подаются на початкоочистительные устройства 9 и далее транспортером 10 выгружаются в идущее рядом транспортное средство. Отходы после очистки початков попадают на наклонную направляющую 14 и подаются в измельчитель 5. Стебли верхними транспортирующими лентами 2 и 3 (рисунки 4,5,6) перемещаются вверх и над транспортерами 3 и 4 (рисунок 1, рисунок 2) освобождаются, под действием силы тяжести попадают на движущиеся с большой скоростью транспортёры 3 и 4, подсекаются в нижней части, поворачиваются в горизонтальное положение и под действием силы тяжести подаются в измельчитель 5. При повороте (рисунок 1, рисунок 7)) барабана 2 стебли вместе с отходами обмолота початков подаются на ножи 5, измельчаются ими и через окно 11 с помощью шнека 12 затем по транспортеру 13 подаются в прицепленную за комбайном тележку большой емкости.

Выводы

Уборка кукурузы предлагаемым модульным кукурузоуборочным комбайном позволяет не только уменьшить металлоемкость комбайна, снизить повреждаемость початков кукурузы, а также энергозатраты, но и улучшить ремонтопригодность.

• 1. А.с. 157 856 СССР, МКИ A 01 D 41/00. Комбайн для уборки сельскохозяйственных культур / И. Л. Мамиофе, М. Я. Фрид, Д. М. Терентьев, М. Н. Буиров, М. Р. Терсаков, В. Ф. Иванов; ? № 772 579/30−15; заяв. 06.04.1962; опубл. 14.10.1963, бюл.19.
• 2. Пат. 4 182 098 США, МКИ A 01 D 45/02. Устройство и способ для уборки урожая и валкования кукурузы. / Кеннет ДЖ Kass; ? № 05/805 276; заяв. 10.06.1977; опубл. 08.01.1980, Бюл. № 42.
• 3. А.с. 1 052 189 СССР, МКИ A 01 D 45/02. Кукурузоуборочная машина / Б. Д. Козачок, Б. А. Миронов, Г. М. Архипов, П. П. Барановский, А. П. Орехов; Кубанский ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственный институт.? № 3 329 393/30−15; заяв. 14.08.81; опубл. 07.11.1983, бюл.41.
• 4. Пат. 2 391 808, Российская Федерация, МПК A 01 D 41/00 A01F7/06 A01F12/18. Прямоточный зерноуборочный комбайн / Г. В. Серга, В. В. Цыбулевский, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 008 148 639/12; заявл. 09.12.2008; опубл. 20.06.10, бюл. № 17.
• 5. Пат. 2 435 358, Российская Федерация, МПК, А 01 D 41/00, A 01 F 7/06, A 01 F 12/18. Зерноуборочный комбайн / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 010 119 156/13; заявл. 12.05.2010; опубл. 10.12.2011, бюл. № 34.
• 6. Пат. 2 442 312, Российская Федерация МПК, А 01 D 41/00,А 01 D 41/00. Комбайн зерноуборочный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 010 118 929/13; заявл. 11.05.2010; опубл. 20.02.2012, бюл. № 5.
• 7. Пат.2 488 987, Российская Федерация, А01D 41/00 (2006.01), A01 °F 7/06 (2006.01). Комбайн зерноуборочный прямоточный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 134 987/13; заявл. 19.08.2011; опубл. 10.08.2013, бюл. № 22.
• 8. Пат.2 494 599, Российская Федерация, МПК А01D 41/00(2006.01), A01 °F 7/06 (2006.1), A01 °F 12/18(2006.01). Комбайн зерноуборочный прямоточный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». -№ 2 012 115 165/13; заявл. 16.04.2012; опубл. 10.10.2013, бюл. № 28.
• 9. Пат.2 494 600, Российская Федерация, МПК А01D 41/00(2006.01), A01 °F 7/06 (2006.1), A01 °F 12/18(2006.01). Зерноуборочный прямоточный комбайн / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». -№ 2 012 110 613/13; заявл. 20.03.2012; опубл. 10.10.2013, бюл. № 28.
• 10. Пат.2 494 601, Российская Федерация, МПК А01D 41/00(2006.01), A01 °F 7/06 (2006.1), A01 °F 12/18(2006.01). Комбайн зерноуборочный прямоточный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». -№ 2 012 121 216/13; заявл. 23.05.2012; опубл. 10.10.2013, бюл. № 28.
• 11. Пат. 2 535 946, Российская Федерация, МПК A01D 41/00(2006.01), A01 °F 7/06 (2006.01). Зерноуборочный комбайн прямоточный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 013 136 483/13; заявл. 02.08.2013; опубл. 20.12.2014, бюл. № 35
• 12. Пат.2 536 497, Российская Федерация, МПК А01D 41/00 (2006.01) А01 °F 7/06 (2006.01). Комбайн зерноуборочный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». -№ 2 013 136 481/13; заявл. 02.08.2013; опубл. 27.12.2014, бюл. № 36.
• 13 Пат.2 547 926, Российская Федерация, МПК A01D 41/00 (2006.01). Комбайн зерноуборочный прямоточный / Г. В. Серга, С. М. Резниченко; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». -№ 2 013 157 159/13; заявл. 23.12.2013; опубл. 10.04.2015, бюл. № 10.
• 14. Пат.2 547 934, Российская Федерация, МПК A01D 41/00 (2006.01) A01 °F 7/06 (2006/01) A01 °F 12/18 (2006/01). Комбайн зерноуборочный прямоточный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». -№ 2 013 153 784/13; заявл. 04.12.2013; опубл. 10.04.2015, бюл. № 10.
• 15. Пат. 2 559 282 Российская Федерация, МПК В07 В 1/18 (2006.01). Прямоточный комбайн зерноуборочный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». -№ 2 014 129 155/03; заявл. 15.07.2014;опубл. 10.08.2015,бюл. № 22.