Теоретическое определение времени отделения початка в кукурузоуборочной жатке

Существуют два способа разрушения связи «початок — плодоножка», определяемых характером приложения статической или динамической нагрузки. Статическими называются нагрузки, которые изменяют свою величину или точку приложения (или направление) с очень небольшой скоростью, так что возникающими при этом ускорениями можно пренебречь [1]. При действии таких нагрузок колебания сооружений и их частей пренебрежительно малы.

Динамическими называются нагрузки, изменяющиеся во времени с большой скоростью (например, ударные нагрузки). Действие таких нагрузок сопровождается возникновением колебаний. При колебании вследствие изменения скорости колеблющихся масс возникают силы инерции, пропорциональные (по второму закону Ньютона) колеблющимся массам и ускорениям. Величина этих сил инерции может во много раз превосходить статические нагрузки.

Для испытания биологических объектов на «растяжение — сжатие» за рубежом используют машину Инстрона, растягивающую или сжимающую объект со скоростью 0,05 дюйма в минуту (1 Д. = 0,0254 м), что в системе СИ составляет 0,2 м/с [2]. Применительно к стрепперным аппаратам это требует вращения протягивающих вальцов с частотой 0,004 мин^-1.

Аналогичные скорости имеет и наше отечественное приборостроение. В этих условиях початок будет отделяться от плодоножки за счет ее статического растяжения. В реальных кукурузоуборочных машинах протягивающие вальцы вращаются с окружной скоростью до 5 м/с. Поэтому при ударе початка о початкоотделяющие пластины возникает ударный импульс, в результате чего за очень малое время удара происходит очень большое замедление движения початка (от 5 до 0 м/с). Это вызывает большие ускорения, а следовательно — и силы инерции, прижимающие початок к пластинам. При этом, согласно закону Ньютона: «действие равно противодействию», эти силы действуют на плодоножку, растягивая ее.

Нами предложено техническое решение, позволяющее значительно увеличить скорость протягивания стеблей, а следовательно — и производительность кукурузоуборочной жатки (рисунок 1).

Техническим решением задачи является повышение пропускной способности початкоотделяющего аппарата и уменьшение повреждения початков и вышелушивания зерна.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном способе отделения початков от стеблей кукурузы разрыв плодоножки осуществляют между парой вращающихся навстречу друг другу транспортеров, направление рабочих поверхностей которых совпадает с направлением протягивания стебля. При этом скорость соударения початка о транспортер определяют по формуле:

(1).

початок плодоножка кукурузоуборочный жатка.

где — скорость стебля; - скорость транспортера.

Это повышает производительность уборочных агрегатов за счет снижения ударного импульса початков при взаимодействии с отделяющими органами жатки.

Отрыв початка между парой вращающихся в сторону движения стебля транспортеров снижает скорость контакта початка, движущегося вместе со стеблем, до величины, равной разности скорости стебля и скорости транспортера. Выполнение одного из ведущих валов подпружиненным обеспечивает прохождение оторванных початков между ними. Вращение транспортеров в сторону движения стебля способствует выносу початка к подающим цепям.

Рисунок 1 — Початкоотделяющий аппарат: а — вид сверху; б — разрез А-А: 1 — лапки; 2 — подающие цепи; 3 — протягивающие вальцы; 4 — пластины; 5 — стебель; 6 — транспортеры; 7 — рабочая поверхность транспортеров.

Рассчитаем время отрыва початка от стебля, как при статическом, так и динамическом характере движения початка.

Время разрушения связи «початок — плодоножка» из условия статической нагрузки

Результаты исследований физико-механических свойств кукурузы и усилие разрушения плодоножки представлены в таблице.

Усилие разрушения плодоножки при отрыве початка, Н.

Вид отрыва початка.	Показатели статистической обработки данных.
	среднее арифметическое значение. Н.	стандартное отклонение. S, Н.	коэффициент вариации V, %.	ошибка выборочной средней. Н.	относи-тельная ошибка выборочной средней. %.
Без изгиба.	229,68.	60,86.	26,50.	9,62.	4,19.
С изгибом.	68,77.	37,91.	55,13.	5,36.	7,80.

Максимальное усилие разрыва плодоножки без изгиба:

F_б.изг = + 3S = 229,68 + 3· 60,86 = 412,26 Н.

Максимальное усилие разрыва плодоножки с изгибом:

F_изг = + 3S = 68,77+ 3· 37,91 = 182,5 Н.

Скорость стебля можно определить из известного выражения [3]:

V_с =, (2).

где V_с — скорость стебля, м/с; F — усилие разрушения связи «початок — плодоножка», Н; - время удара, с; m_п — масса початка, кг.

В теории удара часто принимают изменения местных деформаций тел такими, как и при статическом воздействии силы.

В этом случае, зная статическую величину разрушающего усилия F, можно определить время деформации плодоножки у основания початка из выражения (2):

=. (3).

В свою очередь, можно представить как.

=, (4).

где — величина абсолютного удлинения плодоножки.

Тогда, приравняв (3) и (4), имеем.

=. (5).

V_с =. (6).

Принимая = 0,027 м, m_п = 0,28 кг [4], получаем: скорость отрыва початка без изгиба плодоножки V_б.изг = 6,3 м/с; с изгибом плодоножки — V_изг = 4,2 м/с.

Время разрушения связи «початок — плодоножка» определяется.

_б.изг = = 0,0043 с.

_изг = = 0,0064 с.

Время разрушения связи «початок — плодоножка» с учетом динамической нагрузки Расчет динамического воздействия выполним по методике расчета, изложенной в книге [1]. Удар початка по початкоотделяющим пластинам подобен удару груза с силой Q по стержню или свае. Початок вместе со стеблем движется со скоростью, примерно равной скорости протягивающих вальцов. Приняв эту скорость 5 км/ч, определим высоту h падения груза из выражения:

V_с =. (7).

h = = 1,28 м. (8).

Величина динамического растяжения плодоножки:

= + = 0,29 м, (9).

где — динамическая деформация плодоножки; - деформация плодоножки от статически приложенной нагрузки.

Определим динамический коэффициент:

= 10,8. (10).

Динамическое напряжение определяется из выражения:

= = 35,64 Н/мм², (11).

где — статическое напряжение, Н/мм²; = 3,3 Н/мм² [4].

Теоретически максимально возможное усилие, действующее на плодоножку, определяем как.

F_дин = = 6635 Н, (12).

где F_дин — динамическое усилие разрушения связи «початок — плодоножка», Н; - динамическое напряжение разрушения, Н/мм²; R — радиус плодоножки, мм; R = 7,7 мм [4].

Скорость удара при динамическом воздействии определим из выражения (6), подставляя в него динамические характеристики:

Vс = = 82,9 м/с. (13).

Время удара при этом.

_дин = = 0,0035 м/с. (14).

Это время в 1,2…1,8 раза меньше времени при статической деформации.

При учете динамического характера изменения скорости были сделаны следующие допущения:

• 1. Напряжения при ударе не превосходят предела пропорциональности, так что закон Гука при ударе сохраняет свою силу (упругий удар).
• 2. Тела после удара не отделяются друг от друга. В реальном процессе после удара початка по пластинам связь початка со стеблем нарушается. Это ведет к снижению величины усилия, разрушающего плодоножку, и к сокращению времени ударного импульса.
• 3. Масса ударяемых пластин в расчет не принимается, так как она не может деформироваться под действием удара початка.
• 4. Потерей части энергии, перешедшей в тепло и в процесс колебательного движения ударяющего тела (початка), пренебрегаем.

Как видим, допущения 1, 3 и 4 соблюдаются. Что касается допущения 2, то введем в расчет следующую поправку. Примем импульс силы за треугольник (рисунок 2).

Соотношение между силой и временем удара Нами из условия не отделения тел друг от друга определены основные параметры ударного импульса: сила (F) и время удара () для неразрывной связи «початок — плодоножка». В действительности разрыв связи происходит при меньших значениях F и .

Рассмотрим два подобных треугольника АОС и АО^/C^/. Высота О^/C^/ соответствует реальной силе разрушения связи «початок — плодоножка», а сторона АC^/ — реальному времени ее разрушения.

Имеем.

.

Тогда.

= АC^/ = = 0,11 с.

Таким образом, при динамическом воздействии должно быть равно 0,11 с. Задачи экспериментальных исследований — подтверждение реального времени разрушения связи «початок — плодоножка» и выбор на его основе правильной методики расчета.

Работа выполняется при финансовой поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края (проект № 06−08−96 629).

• 1. Степин П. А. Сопротивление материалов. — М.: Высшая школа, 1968. — 424 с.
• 2. Bilanski W.K. Damage resistance of seed grains transactions of the ASAE, 1966, v-9, p. 360−363.
• 3. Труфляк Е. В. Параметры процесса декапитации стеблей кукурузы и отделения початков стрепперным аппаратом: Дис… канд. техн. наук. — Краснодар, 2003. — 217 с.
• 4. Труфляк Е. В. Физико-механические свойства кукурузы. Монография. — Краснодар: КубГАУ, 2007. — 197 с.