Разработка конструкции и методики расчета срезывающего стебли кукурузы механизма кукурузоуборочного комбайна

Одним из недостатков кукурузоуборочных комбайнов является то, что срезывающие рабочие органы закреплены на прямоугольной раме в одном ряду, что при квадратно-гнездовом посеве сначала приводит к резкому, скачкообразному повышению потребляемой мощности в момент среза стеблей кукурузы очередного ряда, а затем срезывающие рабочие органы работают вхолостую до среза следующего ряда. Недостатком известных комбайнов является также большое число механизмов передачи энергии от привода к исполнительным рабочим органам, в том числе срезывающим [1,2].

Поэтому с целью энергосбережения и улучшения ремонтопригодности нами проведено исследование модуля с аккумулирующим устройством кукурузоуборочного комбайна для срезания стеблей кукурузы, закрепленным на раме стреловидной формы (рисунках 1 и 2), что позволяет уменьшить мощность привода кукурузоуборочного комбайна. В работе учтен опыт авторов в создании зерноуборочных комбайнов [3- 12] и комбайна для получения гранул из навоза [13].

Рисунок 1 — Схема предлагамой компановки кукурузоуборочного комбайна (_ - модуль с аккумулирующим устройством).

Результаты исследований

За основу модуля с аккумулирующим устройством кукурузоуборочного комбайна для срезания стеблей кукурузы предлагаются дисковые пилы, расположенные в плоскости, параллельной зоне расположения корневой системы кукурузы (рисунок 2).

Рисунок 2 — Схема рядков посева кукурузы и модулей с аккумулирующими устройствами, например 12 рядков (пилы — _, стебли кукурузы — ?).

При этом, если комбайн рассчитывается на «2n» (n=12) в предположении, что толщина стебля d ?50 мм рядков, то пилы размещаются по n штук на каждой из линий ?1 и ?2, расположение которых показано на рисунке 2. Расстояние между осями ножей на каждой из линий ?1 и ?2 определяется по формуле:

?1=?2=.

Как видно из рисунка 2, при поступательном движении кукурузоуборочного комбайна и одновременном захвате, например 12 рядков (линия AB) по предлагаемой схеме (рисунки 1 и 2), одновременно срезаются только лишь два стебля, поэтому под нагрузкой одновременно работают только два диска и мощность, потребляемая модулями при произвольном количестве рядков n?14, определяется мощностью, необходимой для одновременного среза только двух стеблей.

Так как при работе кукурузоуборочного комбайна движение линий ?1 и ?2 поступательное, то в установившемся режиме работы время ф1, определяется последовательными циклами и зависит только от количества рядков n и скорости движения кукурузоуборочного комбайна Vк, Длительность среза одного рабочего цикла обозначим через ф3. По рисунку 2 определяется время ф1 прохождения кукурузоуборочного комбайна от среза стеблей кукурузы одного рядка до следующего :

ф1 = ?1 / Vк = ?1 / Vк · (n-1).

Время, отделяющее два последовательных среза вдоль одного ряда определяется зависимостью:

ф =? / Vк Тогда из (2) и (3):

ф1= ф / (n-1).

где rрадиус стебля.

Рекомендуем при практических расчетах сдвинуть последние модули кукурузоуборочного комбайна в пределах L = S4 -S1 (рисунок 1) на 5−10 см и избежать учетверенного среза в виде одновременной работы четырех пил 1,2,3,4. Конструируя с модуль с аккумулирующим устройством будем стремиться к тому, чтобы максимально повысить его к.п.д., который будем исчислять как отношение энергии E1, расходуемой на срез одного стебля кукурузы к энергии Е, потребляемой модулем за время ф :

Так как идеально каждый модуль предполагает =1, то мы должны стремиться к тому, чтобы максимально выполнялось соотношение:

где: N — полная мощность, потребляемая каждым модулем;

N3 — мощность, расходуемая только на срез.

Так как ф>>ф3 то соотношение (6) требует, чтобы выполнялось неравенство (7) и N<ф каждый модуль будет иметь возможность аккумулировать энергию.

Учитывая эту особенность, приходим к заключению, что таким требованиям может соответствовать только модуль вращение пилы в котором не зависит от вращения пил остальных модулей комбайна.

Таким образом, чтобы удовлетворить соотношение (7) модули комбайна должны быть кинематически не связаны между собой.

Наиболее оптимальной конструкцией модуля можно считать модуль снабженный отдельным электроприводом, в котором вращательное движение пилы осуществляется от отдельного малогабаритного асинхроного электродвигателем (рисунок 3).

Такой модуль (рисунок 2) состоит из электродвигателя 1, на оси которого закреплен аккумулятор? маховик 2 и пила 3. Модули закреплены на стреловидной раме (рисунки 1, 2) со смещением относительно друг друга и возможностью регулировки по ширине междурядья и быстрой замены вышедшего из строя модуля запасным модулем в ходе полевого ремонта.

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 жёстко крепится к раме кукурузоуборочного комбайна двумя точками и упором (на чертеже не показаны), конструктивное выполнение которых должно позволять быстрое отделение каждого модуля от рамы кукурузоуборочного комбайна с целью устранения возможных неполадок (смена пилы или всего модуля в сборе).

Рисунок 4- Схема начала подрезания стебля кукурузы.

При выполнении анализа работы модуля рассмотрим рисунок 4, где изображено начало процесса подрезания стебля © пилой 3. Условно будем считать модуль с вращающейся пилой неподвижным, полагая, что стебли кукурузы движутся на него со скоростью VК. В процессе срезывания стебля (рисунок 4) наиболее неблагоприятным (критическим) будет тот момент, когда к вращающейся пиле подойдет точка В.

Составляющие V1 и V2 линейной скорости насечки пилы в этот момент будут достигать соответственно своего min и max, поэтому расчет модуля проводим для критического случая взаимодействия пилы со стеблем кукурузы (рисунок 4).

Так как стебель движется со скоростью Vк, то для исключения возникновения давления при набеге стебля на пилу, необходимо обеспечить выполнение условия V1? Vк (рисунок 4), поэтому запишем:

V1? m · VК где: m=2, 3.

Из рисунка 5 определяем:

V1=V•сos б.

где R? радиус пилы, r — радиус стебля.

Рисунок 5— Схема подрезания стебля кукурузы.

Далее, обозначая угловую скорость вращения пилы щ, с учетом зависимостей (9) и (10) запишем:

где n1? количество оборотов пилы в минуту.

Учитывая неравенство (8), на основании (11) получаем условие для определения R:

Из соображений, положенных в основу соотношения (7), в зависимости (12) необходимо ставить знак равенства. К этому же выводу мы придем и из конструктивных соображений, заботясь о жесткости всей конструкции модуля.

Рассмотрим аккумулирующий эффект маховика 2 (рисунок 3) и его влияние на выбор мощности электродвигателя каждого модуля, при этом с энергетической точки зрения (7) и учитывая неизбежные потери, мы будем впредь считать, что Е > Е1, то есть:

Из зависимостей (3) и (5) получим:

Определим мощность, затрачиваемую на срез стебля кукурузы N3.

Анализ рисунка 6, на котором изображен произвольный момент среза стебля кукурузы © который, для простоты расчета будем считать однородным, позволяет получить зависимости для подбора мощности электродвигателя пилы каждого модуля.

Если обозначать дугу пилы 3 через S и считать, что щ=Сonst, то.

где F — интенсивность сопротивления, действующего со стороны стебля на пилу, которая определяется экспериментально.

Рисунок 6 — Схема среза стебля кукурузы.

Из (13), (14) и (15) находим:

или.

где N — мощность, которой обладает модуль в момент начала срезывания стебля, т. е. N состоит из мощности N1 электродвигателя и мощности N2, определяемой энергией, накопленной за время ф в маховике 2 (рисунок 3).

N = N1 + N2

При определении мощности N2 мы будем пренебрегать незначительными изменениями щ и воспользуемся тем, что за время ф маховик 2 накапливает энергию:

где — плотность материала, из которого изготовлен маховик 2, а h — его высота. срезывающий аккумулирующий кукурузоуборочный комбайн Таким образом, учитывая (17) и что:

Из (16) находим:

Полученные зависимости (19) и (20) полностью решают поставленную выше задачу аккумулирования энергии каждым модулем с аккумулирующим устройством кукурузоуборочного комбайна для срезания стеблей кукурузы и определения мощности их электродвигателей.

Выводы

Предложен модуль с аккумулирующим устройством для срезания стеблей кукурузы. Модули по числу рядков захвата посева кукурузы крепятся на стреловидной раме кукурузоуборочного комбайна. Все модули имеют возможность аккумулировать энергию, и выполнены в виде отдельных модулей, вращение пил в которых, в каждый момент времени, не зависит от вращения пил в остальных модулях и не связанны друг с другом и другими механизмами. Представлена методика расчета аккумулирования энергии и подбора мощности электродвигателя каждого модуля.

• 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.
• 16. Пат. на полезную модель 153 486, Российская Федерация, МПК A01D 41/00 (2006.01). Прямоточный комбайн зерноуборочный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 013 157 719/13;заявл. 24.12.2013; опубл. 20.07.2015,бюл. № 20.
• 17. Пат. № 2 109 716, Российская Федерация, МПК C05F3/00. Способ получения гранул из навоза и устройтва для его осуществления / Г. В. Серга, В. К. Соловьев, Е. М. Злотник; заявитель и патентообладатель Армавирский государственный педагогический институт;? № 4 687 813; заяв. 04.05.1989 опубл 27.04. 1998, Бюл.№ 12.

Аннотация

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СРЕЗЫВАЮЩЕГО СТЕБЛИ КУКУРУЗЫ МЕХАНИЗМА КУКУРУЗОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА

Серга Георгий Васильевич д-р техн. наук, профессор Серга Максим Георгиевич Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Тульчий Василий Иванович д-р физ-мат. наук, профессор

Армавирский государственный педагогический университет, Армавир, Россия

Представлены результаты разработки конструкции и методики расчета срезывающего стебли кукурузы механизма кукурузоуборочного комбайна, выполненного в виде модуля с аккумулирующим устройством. Эти модули по числу рядков захвата посева кукурузы крепятся на стреловидной раме кукурузоуборочного комбайна. Все модули имеют возможность аккумулировать энергию, вращение пил в которых, в каждый момент времени, не зависит от вращения пил в остальных модулях и не связанны друг с другом и другими механизмами. Конструктивное выполнение срезывающего механизма стеблей кукурузы с аккумулирующим устройством позволяет быстрое отделение каждого модуля от рамы кукурузоуборочного комбайна с целью устранения возможных неполадок (смена пилы или всего модуля в сборе). Представлена методика расчета аккумулирования энергии и подбора мощности электродвигателя каждого модуля Ключевые слова: СРЕЗЫВАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ СТЕБЛЕЙ КУКУРУЗЫ, МОДУЛЬ, АККУМУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, СТЕБЛИ, ПОЧАТКИ КУКУРУЗЫ.

DEVELOPMENT OF THE CONSTRUCTION AND CALCULATION OF THE METHODS FOR CORN HARVESTERS STALK SHEARING MECHANISMS

Serga Georgiy Vasilievich Dr.Sci.Tech., Professor.

Serga Maksim Georgievich Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

Dr.Sci.Phys-Mat., Professor.

Armavir State Pedagogical University, Armavir, Russia

The article presents results of design development and calculation methodology for corn harvesters stalks shearing mechanism constructed as a module with a storage device. According to the number of engagement rows, these modules are mounted on the sweep frame of corn harvesters. All modules have the ability to accumulate energy, the rotation of saws in which at each time point does not depend on saws rotation in other modules and they are not connected with each other and with other mechanisms. Constructive execution of corn stalks shearing mechanism with accumulation device allows rapid separation of each module from the frame of the corn harvester in order to eliminate possible problems (change of saw or the entire module assembly). The methods of the energy storage calculation and electric motor power selection for each module are presented.

Keywords: SHEARING MECHANISM CORN STALKS, MODULE, ACCUMULATING DEVICE, STALKS, COBS.