Материалы и методы

Задачей исследования является снижение энергозатрат и повреждаемости початков кукурузы. Для решения задачи необходимо создать такое устройство, с помощью которого моделировался бы процесс ручного отделения початков кукурузы от стеблей, при этом в целях улучшения ремонтопригодности оно должно быть изготовлено в виде отдельного модуля, снабженного индивидуальным электроприводом. В работе учтен опыт авторов в создании зерноуборочных комбайнов [3- 12] и комбайна для получения гранул из навоза [13].

Результаты исследований

Эксперименты показали, что минимум отрывающего усилия будет достигнут тогда, когда цикл отрыва состоит из двух, следующих друг за другом, движений:

• а) незначительный поворот початка кукурузы вокруг его оси и оси стебля;
• б) движение початка кукурузы по направлению к корню растения.

Именно так и поступают, отрывая початки кукурузы вручную. Такой механизм отрыва можно сконструировать из трех пар бесконечных плоских транспортирующих лент, обеспечивающих при одновременном движении отрыв початков кукурузы и одновременную подачу стеблей кукурузы в приемник барабана-дробителя.

В момент завершения подрезывания стебель захватывается тремя парами плоских бесконечных транспортирующих лент, расположенных так, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1- Схема початкоотделяющего модуля кукурузоуборочного комбайна.

На рисунке 2 показано наглядное изображение схемы початкоотделяющего модуля кукурузоуборочного комбайна. Початкоотделяющий модуль состоит из трех пар плоских транспортирующих лент, параллельно расположенных в вертикальной плоскости, а именно: верхней пары транспортирующих лент 1 и 2, средней пары транспортирующих лент 3 и 4, нижней пары транспортирующих лент 5 и 6.

Верхняя пара транспортирующих лент 1 и 2, а также нижняя транспортирующая пара лент 5 и 6, установлены параллельно друг другу и наклонены по ходу движения кукурузоуборочного комбайна под разными углами к горизонту (рисунок 1). Средняя пара транспортирующих лент 3 и 4 установлена горизонтально, смонтирована между верхними 1, 2 и нижними 5, 6 транспортирующими лентами, выдвинута вперед и снабжена устройством (на рисунке не показано) для регулировки ее положения по высоте, в зависимости от зоны расположения початков по высоте стебля.

Окончательная ширина плоских транспортирующих лент подбирается экспериментально. Транспортирующие ленты средней пары должны иметь такую ширину, чтоб она перекрывала полосу зрелых початков наиболее рослых стеблей на 4−5мм.

Все обозначения, относящиеся к нижней, средней и верхней парам транспортирующих лент, будем в дальнейшем различать добавлением индексов соответственно Н, С, В. Например, VН (L2) обозначает скорость участка L2 нижнего ремня.

Как указывалось выше, отрыв початков потребует наименьших энергетических затрат, если одновременно:

• а) ось початка поворачивается вокруг оси стебля;
• б) початок поворачивается вокруг своей оси;
• с) початок перемещается вниз.

Рисунок 2- Наглядное изображение схемы початкоотделяющего модуля

Для осуществления движений, указанных в пунктах (а), (б), © расположим L1, Н; L1, С; L1, В соответственно под углами г,, г-бг к вертикали, как указано на рисунке 1.

Далее, с точки зрения кинематического эффекта, движение, когда ось початка поворачивается вокруг оси стебля, эквивалентно движению, при котором ось початка неподвижна, а сам стебель вращается вокруг своей оси. Такого рода движение легко осуществить, положим:

VН (L1) = VВ (L1), VН (L2) = VВ (L2);

VН (L2) > VН (L1);

VС (L1) = VС (L2) = VН (L1);

Т.е. все три пары плоских транспортирующих лент несут стебель к барабану-дробителю стеблей (на рисунках не показан) со скоростью VН (L1) и одновременно с этим нижняя и верхняя пары транспортирующих лент поворачивают стебель вокруг его оси на один и тот же угол.

При этом с целью упрощения введем допущение: стебель имеет постоянную толщину, меньшую толщины початков кукурузы. В действительности же для того, чтобы устранить деформацию при вращении стебля скорость VВ (L1) нужно брать несколько меньшей, чем VН (L1). Так как в зоне початков кукурузы последние обычно толще стебля, то средние транспортирующие ленты не препятствуют вращению стебля и описанное выше движение практически не деформирует его.

Прежде чем осуществлять движение початка кукурузы в виде поворота початка вокруг своей оси упомянутое в пункте (б), обратим внимание на тот факт, что взаимно-перпендикулярное расположение стебля и початка практически исключено. Действительно, это расположение осей характерно для наиболее неустойчивого положения початка при деформации его ножки и является маловероятным.

Полагая, что и оси початка и стебля составляют угол отличный от, для осуществления движения согласно пункта (б) запишем:

VС (L1) > VС (L2) = VН (L1).

Далее, как видно из рисунка 1 движение початка, указанное в пункте © всегда будет обеспечено, так как г > .

Итак, кинематика реализации всех пунктов (а), (б), © когда отрыв початков кукурузы потребует наименьших энергетических затрат будет обеспечена тогда, когда одновременно при движении устройства для отделения початков кукурузы выполнятся условие:

VН (L1) = VВ (L1), VН (L2) = VВ (L2);

VН (L2) > VН (L1);

VС (L1) = VС (L2) = VН (L1);

Приступая к расчету, будем исходить из данных поставленного нами эксперимента который, показал, что во всех случаях для полного отделения початка необходимо в пунктах (а), (б), © осуществить следующее:

• а) початок кукурузы должен выполнить 1ч2 оборота
• б) стебель должен выполнить 0,5ч1 оборота
• в) передвинуть вертикально стебель на h= 3+5 см по отношению к средней паре транспортирующих лент.

Так как при выполнении соотношений (1), (2) из (3,4) стебель радиусом r как бы катиться без скольжения по транспортирующим лентам L1, В то при 2-х его оборотах, он пройдет расстояние: S=4•р•r.

Поэтому длина внутренних участков транспортирующих лент L1, H, L2, H, L1, В, L2, В, рисунок 2 должна удовлетворять соотношения пунктов (а) и (б).

На рисунке 3 и рисунке 4 схематично изображен кукурузоуборочный комбайн с предлагаемыми початкоотделяющими модулями, который включает размещенные на стреловидной раме ведущий и управляющий мосты, силовой агрегат (на рисунках не показан), модули с аккумулирующим устройством для срезания стеблей кукурузы 1, початкоотделяющие модули 2 (устройства для отделения початков кукурузы от стеблей), смонтированные параллельно продольной оси комбайна и, наклонные под углом к горизонту, транспортеры 3 и 4 для поворота, укладки и подачи стеблей в измельчитель 5, горизонтально установленные перпендикулярно продольной оси комбайна транспортеры 6 и 7 и наклонный по ходу движения комбайна транспортер 8 для подачи початков в устройство для очистки початков 9.

Рисунок 3 — Кукурузоуборочный комбайн с предлагаемыми початкоотделяющими модулями, вид сбоку.

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 показаны).

Рисунок 4 — Кукурузоуборочный комбайн c предлагаемыми початкоотделяющими модулями, вид сверху по стрелке A.

Определим время ф, прохождения кукурузоуборочного комбайна от среза стеблей кукурузы одного рядка до следующего (рисунок 4):

ф =? / Vк =? / Vк · (n-1),.

где: Vк— поступательная скорость комбайна.

nколичество рядков обрабатываемых комбайнов при одном проходе.

Таким образом, с учетом (6):

Чтобы определить VН (L2), VС (L2), которые обеспечивали бы выполнение пунктов (а) и (б), обратимся к рисунке 5, на котором изображено сечение нижней пары транспортирующих лент, плоскостью, перпендикулярной к осям валов, на которые они одеты.

Упрощая рассуждение, будем считать, что транспортирующая лента L1? неподвижна, а транспортирующая лента L2 движется по отношению к транспортирующей ленты L1 со скоростью:

Тогда, движение стебля радиуса r между транспортирующими лентами L1 и L2 может состоять из поступательного перемещения со скоростью и вращения стебля вокруг своего центра 0 с угловой скоростью.

т. е.

Рисунок 5- Сечение нижней пары транспортирующих лент плоскостью, перпендикулярной к осям валов, на которые они одеты.

Но за время ф стебель сделает 2 оборота вокруг своей оси, т. е. повернется вокруг нее на угол цс=4•р, цс=щ1•фн, щ1= цс / ф, а значит из (9).

V = 2· щ· r = 2· цс · r / фн.

С учетом (10):

Из (8) для определения VН (L2) получаем:

VН (L2) = V +.

и тогда с учетом (7):

Учитывая, что при условии (7) початок приходит Sн за время из соображений, аналогичных изложенным выше, для VC (L1) получаем зависимость:

Для определения радиусов ведущих валов соответствующих пар транспотирующих лент воспользуемся зависимостями между угловой и линейной скоростями:

.

.

Рисунок 6 — Початкоотделяющий модуль кукурузоуборочного комбайна, вид сбоку.

где угловые скорости щ1, Н, щ2, С считаются заданным. Если же считать заданными r1, Н, r2, С, то по формулам (16) определяется значение угловых скоростей щ1, Н…щ2,С.

На основании проведенных исследований предлагается конструкция початкоотделяющего модуля, схема которого представлена на рисунках 6,7,8.

Початкоотделяющий модуль кукурузоуборочного комбайна состоит из трех пар, параллельно расположенных в вертикальной плоскости плоских транспортирующих лент, а именно: верхней пары транспортирующих лент 1 и 2, средней пары транспортирующих лент 3 и 4, нижней пары транспортирующих лент 5 и 6 (рисунок 6).

Верхняя пара транспортирующих лент 1 и 2, а также нижняя пара транспортирующих лент 5 и 6, установлены параллельно друг другу и наклонены по ходу движения под углом к горизонту.

Рисунок 7 — Початкоотделяющий модуль кукурузоуборочного комбайна, вид сбоку.

Средняя пара транспортирующих лент 3 и 4 установленная горизонтально, смонтирована между верхними 1, 2 и нижними 5, 6 транспортирующими лентами, выдвинута вперед и снабжена устройством (на рисунке не показано) для регулировки ее положения по высоте в зависимости от зоны расположения початков по высоте стебля.

С одной стороны русла делителя, контуры которых на рисунках 6,7,8 прочерчены штрих-пунктирными линиям транспортирующая лента 1 верхней пары и транспортирующая лента 5 нижней пары, снабжены первым и вторым приводами (на рисунке не показаны), а с другой стороны русла транспортирующая лента 4 средней пары оборудована третьим приводом (на рисунке не показан).

Транспортирующая лента 2 верхней пары, транспортирующая лента 6 нижней пары и транспортирующая лента 3 средней пары подпружинены (рисунки 7 и 8). кукурузоуборочный комбайн стебель повреждаемость.

Рисунок 8 — Початкоотделяющий модуль кукурузоуборочного комбайна, разрез А-А на рисунке 6.

Початкоотделяющий модуль кукурузоуборочного комбайна работает следующим образом.

При движении кукурузоуборочного комбайна стебли кукурузы направляются делителями (делители вместе с руслами показаны на рисунке штрих-пунктирными линиями) в початкоотделительный модуль.

Сначала стебли кукурузы попадают в зону работы средних горизонтально расположенных транспортных лент 3, 4, а в момент завершения среза стебля (режущий аппарат расположен под початкоотделительным модулем и на чертеже не показан) захватываются верхними 1, 2 и нижними 5, 6 транспортирующими лентами, которые наклонены по ходу движения под углом к горизонту. Транспортирующая лента 1, 2, 5, 6 перемещает стебли вверх и одновременно с этим нижние пары транспортирующих лент 5, 6 и верхние пары транспортирующих лент 1, 2 проворачивают стебель вокруг его оси. При этом средние пары транспортирующих лент 3, 4 обеспечивают перемещение початка кукурузы горизонтально и его поворот вокруг своей оси.

Такое выполнение устройства початкоотделяющего модуля обеспечивает одновременное движение стебля вверх и его поворот относительно горизонтально перемещающегося початка, который вращается вокруг своей оси.