Interrelation between the straw chopping length and the design of straw chopper

Full Text

Введение Растущий интерес к применению безотвальной обработки почвы предполагает использование соломы в качестве органического удобрения [1]. Для этого во время уборки соломистая часть убираемой культуры должна быть измельчена и разбросана по полю измельчителем-разбрасывателем соломы (ИРС) зерноуборочного комбайна. Многие современные зерноуборочные комбайны не обеспечивают длину измельчения соломы и равномерность ее разбрасывания, регламентированные агротехническими требованиями [2, 3]. Кроме того, ИРС существенно влияет на общую производительность комбайна. Так, например, работающий ИРС увеличивает расход топлива комбайном на 15-30% [4, 5]. Цель исследования Цель исследования - рассмотреть технологический процесс измельчения соломы; установить взаимосвязь конструкционного исполнения ИРС и длины измельчения; выявить пути совершенствования измельчителя. Материалы и методы Процесс измельчения соломы в ИРС носит как подпорный характер (защемление между ножами на роторе-измельчителе и противорежущем брусе), так и бесподпорный (свободный удар ножа ротора-измельчителя). При подпорном резании соломина 1 (рис. 1), упав с клавиш соломотряса, находится на ножах противорежущего бруса 2 до тех пор, пока ее не ударит нож ротора-измельчителя. Длина измельчения при этом зависит от шага установки ножей х и расположения соломины относительно оси вращения ротора-измельчителя. Шаг установки ножей на противорежущем брусе и роторе-измельчителе можно задать конструкционно. Угол падения α - случайная величина, которую трудно спрогнозировать и которая напрямую влияет на длину измельчения соломы. Таким образом, если пренебречь бесподпорным резанием, длину измельчения соломы определим по формуле: , (1) где x - шаг установки ножей, мм; α - угол падения, град. Для уменьшения длины резания необходимо минимизировать угол падения α [6]. Кроме того, уменьшение α уменьшит мощность, затрачиваемую на измельчение соломы, что связано с уменьшением площади среза. Из выражения (1) следует необходимость более подробного изучения процесса падения соломы с клавиш соломотряса и возможностей уменьшения угла падения. Солома, измельченная на противорежущем брусе, может быть доизмельчена ножами ротора-измельчителя лишь при помощи бесподпорного среза. Для бесподпорного измельчения соломы за противорежущим брусом необходимо соблюдение двух условий: 1) ось соломины не должна лежать в плоскости ножей ротора-измельчителя; 2) разница скоростей движения соломы и ножа должна превышать критическую скорость бесподпорного резания. После измельчения на противорежущем брусе соломина движется в сторону разбрасывающего рабочего органа [7] под действием импульса, сообщенного ей ножом ротора-измельчителя, а также воздушного потока, создаваемого вращающимися ножами ротора-измельчителя. Солома либо подхватывается ножами ротора-измельчителя со срезом или без (при недостаточной разнице скоростей), либо пролетает под ножами, скользя по нижней стенке корпуса ИРС зерноуборочного комбайна. Рассмотрим подробнее случай подхватывания и переноса соломины ножом ротора-измельчителя без подрезания, когда после измельчения на противорежущем брусе соломина получила достаточную начальную скорость и при встрече с ножом ротора-измельчителя не была срезана, а продолжила движение вместе с ножом. Это возможно как в случае, когда разница скоростей соломины и ножа ротора-измельчителя меньше критической скорости бесподпорного резания, так и при недостаточной остроте режущей кромки ножа, а также при совокупности данных факторов. Если длины соломины 1 (рис. 2, а) не хватает для опирания на два ножа ротора-измельчителя, то она проворачивается вокруг ножа 2 и продолжает движение самостоятельно до встречи со следующим рядом ножей ротора-измельчителя. Если соломина лежит на двух и более ножах (рис. 2, б), то ее проворот невозможен. В таком случае соломина находится под действием силы тяжести G, силы аэродинамического сопротивления F, центробежной силы Fцб и силы трения Fтр от контакта с ножом (рис. 3). Под действием центробежной силы соломина начнет перемещаться к концу ножа, и на нее начнет действовать сила Кориолиса FK. Поскольку сам нож, также испытывая влияние центробежной силы, не меняет местоположение, задавая направление движения соломины, то направление силы Кориолиса неизменно. Введем оси u и v, параллельную и перпендикулярную оси ножа, и распишем силы, действующие на соломину вдоль этих осей: Распишем действующие силы: (2) где m - масса соломины, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; - угол между направлением силы тяжести и осью, град.; R - расстояние от центра масс соломины до центра вращения, м; - угловая скорость вращения ротора-измельчителя, рад/с; CX - коэффициент аэродинамического сопротивления соломины; S - площадь миделева сечения соломины, м2; ρ - плотность воздуха, кг/м3. Отметим, что произведение ( ) в выражении (2) носит характер векторного произведения скоростей. В связи с малостью массы, размеров соломины и радиуса вращения относительно величины угловой скорости вращения ротора-измельчителя центробежная сила будет на порядок превышать величины других сил, а значит, и определять направление движения соломины (в рассматриваемом случае - удаление соломины от центра вращения ротора-измельчителя и ее движение к концу ножа). Соломина, попавшая на нож ротора-измельчителя, стремится соскользнуть с него. Потеряв контакт с ножом, соломина попадает в область границы поверхности заметания, образованной ножами ротора-измельчителя и стенками ИРС. Назовем ее мертвой зоной (рис. 4). В этой области происходит проталкивание и выдувание соломы к разбрасывающему рабочему органу без дополнительного измельчения, поскольку здесь контакт соломы с ножом невозможен. Таким образом, возникает необходимость создания условий для дополнительного измельчения соломы, попавшей в мертвую зону. Для этого нужно перенаправить поток соломы из мертвой зоны внутрь границы поверхности заметания ножей ротора-измельчителя, а также обеспечить разность скоростей движения соломы и вращения ножа, большую, чем критическая скорость бесподпорного резания. Дополнительные узлы, интенсифицирующие процесс измельчения соломы путем изменения направления ее движения в мертвой зоне, целесообразно размещать за местом схода соломины с ножа ротора-измельчителя для случая, когда после измельчения на противорежущем брусе соломина, попавшая на нож, не была измельчена. В простейшем случае подобный узел может иметь форму планки (рис. 5), перенаправляющей поток соломы внутрь поверхности заметания. Более наглядно, в виде алгоритма, варианты перемещения соломины после измельчения подпорным срезом представлены на рис. 6. Необходимо определить, в течение какого времени и на какое расстояние соломина перемещается вместе с ножом ротора-измельчителя, с допущением, что соломина начала контактировать с ножом сразу за противорежущим брусом. Соломина после измельчения на противорежущем брусе в случае отсутствия бесподпорного среза ножом ротора-измельчителя совершает на нем два движения: 1) касается ножа в одной точке и поворачивается относительно нее (рис. 7) до контакта в двух и более точках, т.е. до того, как займет устойчивое положение; 2) перемещается вдоль лезвия ножа ротора-измельчителя (описано выше). Время, с, за которое соломина, повернувшись относительно первой точки касания ножа, вступит в контакт с другим ножом и тем самым займет установившееся положение для начала второго движения, определим по формуле: , где hk - проекция наибольшего удаления свободного конца соломины от точки касания соломины и ножа на плоскость, перпендикулярную оси ротора-измельчителя, м; lk - длина свободного конца соломины, м; α - угол между осью ротора-измельчителя и осью соломины, град.; R - расстояние от оси ротора-измельчителя до точки контакта соломины и ножа, м. Время схода соломины (рис. 8), с, определим по формуле: где lсх - длина схода, м; Vцб - центробежная скорость, м/с. Общее время, с, затрачиваемое соломиной на совершение обоих движений: . Угол, град., на который повернется соломина вместе с ножом (рис. 9), совершив оба движения: . Дополнительные узлы, интенсифицирующие процесс измельчения соломы, рациональнее размещать за указанным на рис. 9 сектором с углом φ. Результаты и их обсуждение Получены выражения, описывающие процесс измельчения и перемещения соломы в ИРС. Описано влияние угла падения соломы на длину ее измельчения. Уменьшение угла падения соломы позволяет не только уменьшить длину измельчения, но и снизить мощность, потребляемую ИРС. Поэтому можно сделать вывод о необходимости введения узла для переориентации пространственного положения соломы с целью минимизации угла падения. Однако это может привести к более частому забиванию ИРС. Описано влияние на процесс измельчения дополнительных узлов, благодаря установке которых повышается количество ударов ножа по соломе, и длина измельчения уменьшается. Это особенно важно в связи с наличием в измельчающем рабочем органе ИРС зерноуборочного комбайна мертвой зоны, в которой солома не контактирует с ножами ротора-измельчителя. Наличие узлов, интенсифицирующих процесс измельчения, позволяет увеличить вероятность контакта соломины и ножей не путем увеличения количества ножей на роторе-измельчителе, а изменением траектории перемещения соломистой массы. Уменьшение количества ножей на роторе-измельчителе позволит уменьшить момент его инерции и потребляемую ИРС мощность. Выводы Описан процесс перемещения и измельчения соломы в ИРС зерноуборочного комбайна. Рассмотрены основные факторы, влияющие на длину измельчения. Описаны силы, действующие на соломину при ее движении вместе с ножом ротора-измельчителя. Выявлено влияние пространственного положения соломины в момент среза на длину измельчения. Минимизация угла падения соломины способствует уменьшению длины измельчения и энергоемкости процесса. Дано определение мертвой зоны в ИРС, в которой перемещение соломы происходит без контакта с ножами ротора-измельчителя, т.е. без измельчения. Обоснована необходимость применения дополнительных узлов, направляющих поток соломы и интенсифицирующих процесс измельчения. Определено возможное местоположение подобных узлов.

About the authors

D. R Sadretdinov

South Ural State Agrarian University

Email: sadretdinov.daniil@mail.ru
Engineer Chelyabinsk, Russia

References

Supplementary files