Substantiation of the design and technological parameters of the spiral roller for the onion harvesting machine

Full Text

Введение Анализ современного состояния способов и технических средств, способствующих снижению содержания почвенных примесей в товарной продукции лука-севка показал, что разработка научно-обоснованных технических решений, способствующих снижению содержания почвенных примесей при уборке лука требует в первую очередь дополнительных теоретических и практических исследований по воздействию рабочих органов и факторов, влияющих на полноту отделения почвенных комков при уборке лука-севка как в первой, так и во второй фазах. Цель исследований Обоснование оптимальных конструктивных и технологических параметров катка-ложеобразователя машины для уборки лука с целью интенсификации сепарации лука-севка от соизмеримых почвенных комков в результате снижения поступления почвенных комков на сепарирующие рабочие органы совместно с луковицами лука-севка во второй фазе его уборки, т.е. при подборе из валков. Материалы и методы В ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработан каток-ложеобразователь [3] лукоуборочной машины, способствующий снижению поступления совместно с луковицами лука-севка почвенных комков на сепарирующие рабочие органы во второй фазе уборки, т.е. при подборе из валков, и интенсификации сепарации в целом [4]. Каток-ложеобразователь (рис. 1) включает раму 1, цилиндрический валец 2, сужающий лоток 3 и образователь валка 4, сепарирующий элеватор 5, под которым на раме 1 установлен спиральный валец 6 с периферийно расположенной вдоль всей его длины спиральной поверхностью, имеющей форму поперечного сечения в виде сегмента 7, лоток 8 схода примесей, редукторы 9 и 10 регулировки частоты вращения катков и цепной передачи 11. Каток-ложеобразователь работает следующим образом. При вращательно-поступательном движении спирального вальца 6 по полю он своей цилиндрической поверхностью уплотняет почву до оптимального значения, а выступами в виде сегмента 7, расположенными на поверхности спирального вальца 6 симметрично относительно поперечной оси, создает волновой рельеф на поверхности почвы. Спирали 7 вальца 6 образуют впадину на поверхности поля, причем за счет того, что начало и конец каждого выступа сегмента 7 находятся на одной образующей спирального вальца 6 и совпадают с серединой следующего за ним выступа, каток перемещается равномерно, не смещает почву и не оказывает на нее ударное воздействие. Гладкий цилиндрический валец 2, установленный за спиральным вальцом 6, уплотняет и образует ограничительные валики, расположенные по краям убранной поверхности поля. Таким образом, ложе, сформированное катком-ложеобразователем, препятствует раскатыванию луковиц и образуется из рыхлой отсепарированной мелкокомковатой почвы без уплотнения, что исключает последующее поступление или максимальное снижение поступления почвенных комков на сепарирующие органы машины при подборе луковиц из валка и, как следствие, обеспечивает снижение содержания почвенных и растительных примесей, а также травмирование лука-севка при его подборе из валков путем формирования ложа под валок регулируемой плотности, обеспечивающего дозаривание продукта на его поверхности. Результаты и обсуждение Для обеспечения качественно подготовленного ложа под валок лука-севка необходимо, чтобы спиральный валец катка-ложеобразователя производил измельчение почвенных комков до размеров меньше минимального диаметра стандартной фракции луковицы для того, чтобы происходила очистка луковиц на сепарирующих рабочих органах от мелких почвенных примесей (т.к. приемно-подкапывающая часть лукоуборочной машины совместно с луковицами производит подбор почвенных комков, которые являются трудноотделимыми из-за соизмеримых размеров со стандартными луковицами). Исходя из сказанного следует, что максимальный диаметр dКmax комка почвы должен быть меньше минимального диаметра DЛmin стандартной фракции лука-севка, т.е. [5-8]: dКmax ≤ DЛmin, (1) где dКmax - максимальный диаметр комка почвы, м. Минимальный диаметр dСП спирали вальца катка-ложеобразователя определяется исходя из величины максимального размера почвенного комка, образующегося после подкапывания лемехом лукоуборочной машины пласта почвы, а также обеспечения защемления комка почвы между спиралью и барабаном вальца катка-ложеобразователя [3]: . (2) Данное условие выполнится тогда, когда комки почвы после прохода спирального вальца катка-ложеобразователя будут составлять одну фракцию, так как агротехническими требованиями качество измельчения почвы оценивается по ее фракционному составу. Рассмотрим геометрические размеры комков почвы, измельчаемые спиральным вальцом катка-ложеобразователя (рис. 2). Ширина и высота комка почвы M и N зависит от толщины взрыхленного слоя почвы и ширины захвата BСПВ спирального вальца катка-ложеобразователя. Следовательно, для того чтобы комки почвы M и N составляли одну фракцию, необходимо обеспечить равенство их максимальной толщины. Для этого комок почвы (M+N), ограниченный двумя траекториями - спирали и барабаном спирального вальца, необходимо так разделить в продольном сечении траектории спирали, чтобы в взрыхленном слое почвы максимальная толщина комка почвы F - () равнялась максимальной толщине комка почвы G - (). Предположим, что равенство: (3) выполняется при разделении пополам траектории спирали вальца. Величина RСПВ должна быть такой, чтобы точки соприкосновения RБСП и RСПВ с поверхностью взрыхленного слоя почвы в продольно-вертикальной плоскости располагались на расстоянии: , (4) где - угол между витками спирали вальца катка-ложеобразователя, град; λ - кинематический показатель спирального вальца катка-ложеобразователя: , (5) где v0 - окружная скорость спирали вальца катка-ложеобразователя, м/с; vД - поступательная скорость движения лукоуборочной машины, м/с. В координатах отрезок SF параллелен оси абсцисс, поэтому расстояние от оси ординат до точки d должно быть больше расстояния от оси ординат до точки с на величину SM: . (6) Величина Lc определяется суммой проекции на ось абсцисс отрезка RБСП и поступательного перемещения барабана спирального вальца катка-ложеобразователя за время поворота RБСП до соприкосновения с почвой, т.е. на угол ϕ1: (7) Угол ϕ1 поворота RСПВ до соприкосновения с поверхностью взрыхленного слоя: , (6) где γ1 - угол входа спирального вальца катка-ложеобразователя в почву, град. Поэтому величина Ld определяется суммой проекции на ось абсцисс отрезка RСПВ и поступательного перемещения спирального вальца катка-ложеобразователя за время поворота на угол ϕ1: ; (9) . (10) Подставляя (7) и (10) в уравнение (6), получаем: (11) Из выражения (11) выразим угол γ1. Для этого определим расстояние от оси абсцисс до точек d и с, а также приравняем их, откуда: . (12) Подставив (12) в формулу (11) имеем: . (13) Выражение (13) имеет смысл при . (14) Ширина захвата BСПВ спирального вальца катка-ложеобразователя (рис. 3) определяется технологической шириной подкапывающего устройства BК, которая в свою очередь зависит от технологической схемы посева лука, ширины просеивающего транспортера BТ и расстояния между щитками, сужающими ворох, который сходит с сепарирующего рабочего органа лукоуборочной машины. Рис. 3. Схема к определению ширины спирального вальца: 1 - щитки сужающие; 2 - спиральный валец Так как последним фактором, влияющим на ширину образующегося валка, исходя из технологического процесса уборки лука, является расстояние SК между сужающими щитками 1, то ширина захвата BСПВ спирального вальца 2 катка-ложеобразователя должна удовлетворять неравенству: . (15) Образование рыхлого почвенного слоя происходит в результате крошения и измельчения комков почвы после извлечения луковиц из почвы лемехами лукоуборочной машины. Интенсификации процесса измельчения комков почвы катком-ложеобразователем лукоуборочной машины способствует спиральная навивка на катке. Для определения шага tСП навивки спирали и угла Σ наклона ее к горизонтальной оси ОО катка рассмотрим силы, воздействующие на комок почвы. На комок почвы К действует сила воздействия спирали (рис. 4), которую можно разложить на две составляющие - нормальную FN и тангенциальную Fτ. Рис. 4. Схема сил, действующих на комок почвы спирального вальца Перемещение комка почвы по поверхности спирали осуществляется при условии: , (16) где FTP - сила трения комка почвы по поверхности спирали, Н. Определим силу трения: , (17) где ϕП - угол трения комков почвы о поверхность спирали, град. Определим Fτ касательную составляющую силы FCП: . (18) С учетом формул (17) и (18) условие (16) запишется в виде: . (19) Таким образом, угол Σ наклона спирали к горизонтальной оси ОО должен быть больше угла ϕП трения комков почвы о поверхность спирали. Исходя из теории расчета конструктивных параметров шнековых машин имеем: , (20) где DСПВ - диаметр спирального вальца, м. Кроме того известно, что для предотвращения сгруживания почвы спиральным вальцом катка-ложеобразователя диаметр DСПВ вальца должен определяться: , (21) где dКmax - максимальный диаметр комка почвы, м; ϕ1 - угол внутреннего трения комков почвы, град. С учетом формулы (21) выражение, определяющее шаг спирали, запишется в виде: . (22) В связи с тем что каток-ложеобразователь машины для уборки лука-севка выполняет технологический процесс работы поточно с лукоуборочной машиной при значении поступательной vД скорости ее движения в пределах 2,8…5,6 км/ч, то при известном диапазоне значений λ = 6…9 кинематического показателя спирального вальца, исходя из результатов более ранних исследований работы ротационных почвообрабатывающих машин для пропашных культур, обеспечивающих качественное измельчение взрыхленного почвенного пласта, определим частоту nСПВ вращения спирального вальца катка-ложеобразователя. Известно, что , (23) исходя из того, что , (24) где nСПВ - частота вращения спирального вальца катка-ложеобразователя, об/мин. После подстановки выражения (24) в выражение (23) получаем: . (25) Выводы Теоретические исследования катка-ложеобразователя машины для уборки лука-севка позволили получить зависимости для определения диаметра (2) и шага (22) спирали, а также ширины (15) захвата, кинематического показателя (23) и частоты вращения (25) спирального вальца катка-ложеобразователя. На основании проведенных теоретических исследований был изготовлен каток-ложеобразователь, который проходил исследования в лабораторных и полевых условиях по обоснованию оптимальных конструктивных и технологических параметров. В результате проведения экспериментальных исследований было установлено, что полнота сепарации вороха лука-севка после его подбора с поверхности ложа, образованного катком-ложеобразователем, на оптимальных режимах составляет 98…99 % при повреждениях до 1,0 %, что соответствует существующим рекомендациям на уборку корнеплодов и лука. Рис. 1. Схема катка-ложеобразователя лукоуборочной машины: 1 - рама; 2 - валец спиральный; 3 - лоток сужающий; 4 - образователь валка; 5 -сепаратор роликовый; 6 - валец спиральный; 7 - сегмент; 8 - лоток схода примесей; 9, 10 - редукторы; 11 - передача цепная Рис. 2. Схема для определения диаметра спирали спирального вальца катка-ложеобразователя лукоуборочной машины Работа выполнена при государственной поддержке молодых российских ученых - кандидатов наук МК - 4002.2018.8.

About the authors

A. V Sibiryov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: sibirev2011@yandex.ru
PhD in Engineering

A. G Aksenov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: sibirev2011@yandex.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files