Теоретическое обоснование резания стеблей шнековым режущим аппаратом

В целях повышения эффективности работы уборочной техники необходимо совершенствовать технологии и технические средства. В современных экономических и экологических условиях увеличение производства не может быть достигнуто только за счет расширения площадей посевов.

Кроме того, резервы наращивания и интенсификации земледелия исчерпаны, так как экологическая обстановка и без этого напряжена. Выходом из создавшейся ситуации может быть использование принципов энергосбережения, универсальности и многофункциональности.

На основании проведенного обзора конструкций существующих режущих аппаратов нами предлагается режущий аппарат, который в себе содержит элементы как сегментных, так и ротационных аппаратов (рисунок 1) [2; 3; 5; 6]. Противорежущая часть аппарата представляет собой различные элементы — вырезы в корпусе, пластины, сегменты. Режущей частью является шнек.

Срезающие устройства машин должны выполнять чистый срез растений без смятия, разрывов, затягивания и выскальзывания их из-под лезвий [4].

Рисунок 1. Классификация режущих аппаратов с учетом предлагаемых новых технических решений режущий аппарат шнек стебель При работе предлагаемого аппарата стебли растений заводятся между витком шнека и лезвием сегмента.

Предположим, что в определенный момент времени точка режущей кромки лезвия «а» перемещает стебель по направлению вектора скорости V_н (рисунок 2).

Рисунок 2. Определение условия скольжения б<�ц:

б — угол между лезвием и направлением движения машины;

ц — угол трения лезвия ножа по разрезанному материалу Пусть угол б будет меньше угла трения ц лезвия ножа по разрезаемому материалу: б < ц. Виток шнека давит на перерезаемый материал по нормали N.

Рассматривая действие этой силы, разложим ее по направлению движения витка на составляющие N_v и N_т. Рассмотрим действие этих сил порознь. Если точка шнека «а» встретила на своем пути стебель «m», то сила N_v стремится стебель «m» переместить вместе с ножом, сила N_т стремится стебель сместить вдоль витка шнека. Может ли стебель «m» скользить вдоль витка шнека, это зависит от того, способна ли сила трения уравновесить силу N_т. Для того чтобы стебель «m» скользил под действием силы N_тпо витку шнека, сила N_т должна преодолеть силу трения F. Наибольшая возможная сила трения F_maх при данном нормальном давлении N и угла трения ц будет:

F_maх=Ntgц,.

N_т = Ntgб.

Так как б<ц, то N_т меньше предельного, наибольшего возможного значения силы трения F_maх. При этих условиях сила трения F, действующая на стебель «m» в сторону, противоположную силе N_т, равной силе N_т = Ntgб, а не максимально возможной силе трения F_maх= Ntgц, так как всякая сила реакции равна той силе, которой она возбуждена, т. е. F = -Ntgб. Если б < ц, то никакого скольжения витка шнека по стеблю не будет.

Рассмотрим условия, когда б = ц. В этом случае N_т = F_maх. Силы F_maхи N_т полностью уравновешиваются взаимно. Стебель «m» будет перемещаться по направлению оси шнека.

Резание будет происходить в случае, когда б>ц (рисунок 3, 4). Разложим силу N на N_v и N_т. Может ли в этом случае сила N_т заставить стебель «m» скользить по лезвию ножа? Это зависит от того, окажется ли сила N_т больше силы трения, которая будет развиваться при скольжении частицы материала по лезвию.

Но, так как б>ц, то Ntgб>Ntgц, т. е. N_т >F_maх. Значит, стебель окажется под воздействием двух сил: N и F_maх, так как они действуют одновременно и совместно, то можно сложить их геометрически.

Рисунок 3. Определение N.

Рисунок 4. Определение условия скольжения б> ц Получим их равнодействующую R (рисунок 5), направленную под углом ц к нормали n-n.

Рисунок 5. Определение равнодействующей R.

Следовательно, частица будет перемещаться под действием (и по направлению) силы R, пока не перережется. Причем, виток шнека будет перемещаться по направлению скорости V_н, а стебель «m» — по направлению силы R. Из схемы следует, что в процессе резания, которое сопровождается смятием материала под давлением витка шнека, происходит скольжение стебля.

Итак, для резания в предлагаемом аппарате со скольжением должно выполняться условие: направление скорости лезвия должно составлять к нему угол больший, чем угол трения материала по витку шнека.

Пшеница Гладкое лезвие = 15°.

Насеченное лезвие =46°.

Условия резания стеблей шнековым режущим аппаратом для пшеницы:

где — угол наклона витка шнека.

Условия резания стеблей шнековым режущим аппаратом для кукурузы:

Рисунок 6. Процесс резания стебля Коэффициент скольжения:

.

a^/m^/— путь, проходимый перерезаемым материалом по лезвию со скольжением;

am^/ — единица деформации материала.

В am^/a^/ по теореме синусов:

тем больше, чем больше =, то .

Рисунок 7. Схема определения работы, затрачиваемая на перерезание 1 см² материала Определим работу, затрачиваемую на перерезание 1 см² материала при использовании режущей кромки на витке. Представим прямолинейный отрезок витка шнека по длине, равный 1 см. Допустим, что лезвие разрезает материал со скольжением, тогда необходимо, чтобы >. Значит, виток будет двигаться под углом к нормали, причем большим угла .

Следовательно, 1 см длины шнека перережет (переместит) полосу шириной с силой резания. Для вычисления работы силы нужно определить проекцию этой силы на направление пути точки ее приложения:

Найдем путь, который должен совершать отрезок витка шнека, чтобы резать материал 1 см². Площадь разреза выражается площадью параллелограмма с высотой h и основанием l, так как ², а, то Работа резания:

.

В результате углы наклона лезвий составляют: для пшеницы — не более 75^о (гладкое лезвие) и 44^о (насеченное лезвие); для кукурузы — не более 80^о (гладкое лезвие) и 48^о (насеченное лезвие).

После проникновения лезвия в материал грани клина сегмента вступают во взаимодействие с ним, при этом в зависимости от свойств разрезаемого материала они могут содействовать резанию или тормозить его.

Стебли сельскохозяйственных растений состоят из клеток, которые располагаются в определенном порядке, образуя ткани. Механические проводящие ткани главным образом определяют прочность стебля.

Выделим главные сопротивления, которые преодолевает нож при резании сегментом предложенного режущего аппарата.

Рассмотрим сегмент, у которого угол заострения увеличен с каждой стороны на угол трения, считая его одинаковым для обеих сторон (рисунок 8).

Нормальные давления, приложенные к граням сегмента, будут равны и .

Из треугольника В₁С₁D₁: С₁В₁ = .

Из треугольника АВD:? ВАD = 90 — -; ? АВD = + .

Из треугольника ВСD: ?DВС = 90 — -; ? ВСD = + ;

DВ=; N₁ = .

Спроектируем силы на ось Х-Х:

.

. (1).

где P₀ — сопротивление лезвия проникновению в стебель, которое зависит только от толщины лезвия и направлено перпендикулярно к нему;

N и N₁ — нормальные давления перерезаемых и смятых волокон стебля о щеки сегмента.

Анализируя выражение (1), можно утверждать, что чем меньше толщина передней грани сегмента и меньше угол, тем меньше сила Р.

В случае, представленном на рисунке 8, б, сопротивление P₀ в случае уборки зерновых колосовых культур при наличии специальных делителей по нашей разработке будет незначительным и им можно пренебречь, тогда выражение будет иметь вид:

. (2).

В предлагаемом режущем аппарате рассмотрим резание условно тонких и толстых стеблей (рисунок 9).

Из схемы действия сил на сегмент (рисунок 10):

. (3).

. (4).

где P₀ = N_max — сила резания стебля одним лезвием, когда угол наклона сегмента = 0^о;

N — нормальные давления перерезаемых и смятых волокон стебля на грани сегмента;

N₁ — нормальные давления перерезаемых и смятых волокон стебля на поверхности сегмента.

Рисунок 10. Силы, действующие на сегмент при резании В результате действия нормальных давлений N и N₁ возникают силы трения F и F₁ на гранях заточки сегмента и на поверхности сегмента.

Если пренебречь силой трения спинки ножа о направляющие, а при срезе тонкого стебля силой 2F^/, то:

. (5).

где — угол трения перерезанных волокон стебля о поверхность сегмента.

Из формулы (5) следует, что с увеличением угла наклона лезвия сегмента уменьшается сила резания.

При статическом действии силы невозможно перерезать стебель в строго вертикальном положении без опоры; обязательно он должен отгибаться в сторону резания, так как только тогда появится реакция стебля Nпо отношению к режущему аппарату, для преодоления которой необходимо приложить к ножу в горизонтальном направлении силу Р (рисунок 11).

Горизонтальная сила Р, которая возникает при отклонении стебля:

. (6).

Рассмотрим различные случаи установки сегментов в режущих аппаратах по отношению к горизонту (рисунок 12).

Проникновение лезвия в стебель возможно в том случае, если перерезаемые волокна легко скользят по верхней части сегмента в направлении, обратном его движению.

Резание стебля в случае, показанном на рисунке 12 в, будет самое благоприятное, поскольку скольжение перерезанных волокон стебля по поверхности ножа выполнить значительно легче за счет приподнятия (изгиба) лезвия на угол по отношению к горизонту.

Стебли хлебных злаков и, особенно, трав оказывают незначительное сопротивление изгибу, поэтому резание при статическом действии силы возможно очень острым режущим инструментом и с низкой производительностью. Обычно резание стеблей сопровождается динамическим действием режущего аппарата.

Условие среза стебля при действии на него режущего аппарата без учета сопротивления воздуха и сопротивления отклонению стебля со стороны рядом стоящих стеблей:

(7).

где — сила перерезания стебля;

• — сопротивление стебля изгибу;
• — силы инерции стебля.

Рассмотрим срез свободно стоящего стебля как балку, жестко закрепленную в основании и подвергающуюся действию силы R_s со скоростью V_н на высоте резания H (рисунок 13).

Рисунок 13. Схема резания стебля с одной опорой Скорость витка шнека, необходимую для перерезания стебля с одной опорой, получим, допустив жесткую заделку стебля у опоры.

Тогда.

.

. (8).

В данной работе представлено теоретическое обоснование резания стеблей многофункциональным универсальным режущим аппаратом сегментно-ротационного типа. Данный аппарат может быть использован для среза трав и зерновых культур.

Определены углы наклона лезвий сегментов режущего аппарата: для пшеницы — не более 75^о (гладкое лезвие) и 44^о (насеченное лезвие); для кукурузы — не более 80^о (гладкое лезвие) и 48^о (насеченное лезвие).

• 1. Босой Е. С. Режущие аппараты уборочных машин / Е. С. Босой. — М.: Машиностроение, 1976. — 167 с.
• 2. Пат. 2 513 421 РФ, МПК, А 01 D 34/00, А 01 D 34/43. Шнековый режущий аппарат / И. С. Труфляк; заявитель и патентообладатель КубГАУ. — № 2 012 148 641/13; заявл. 15.11.2012; опубл. 20.04.2014.Бюл. № 11.
• 3. Трубилин Е. И. Альтернативный режущий аппарат механических косилок / Е. И. Трубилин, И. С. Труфляк, Е. В. Труфляк // Техника и оборудование для села. — 2012. — № 2 (188). — С. 10−12.
• 4. Трубилин Е. И. Машины для уборки сельскохозяйственных культур / Е. И. Трубилин, В. А. Абликов. — Краснодар, 2010. — 235 с.
• 5. Труфляк И. С. Новый режущий аппарат косилок / И. С. Труфляк, Е. И. Трубилин // Материалы VI всероссийской научно-практической конференции молодых ученых / КубГАУ. — Краснодар, 2012. — С. 370−371.
• 6. Труфляк И. С. Шнековый режущий аппарат / И. С. Труфляк, Н. Н. Бульдяев, Е. В. Труфляк // Материалы научной конференции факультета механизации. — Краснодар, 2012. — С. 31−35.