Исследование технологического процесса работы стеблеподъемника при скашивании полегших зерновых и зернобобовых культур

Полный текст

Введение В настоящее время валковые жатки и хедера зерноуборочных комбайнов при скашивании полегших зерновых и зернобобовых культур оборудуются стеблеподъемниками, которые устанавливаются на пальцах режущих аппаратов или являются составной частью пальца. Стеблеподъемники в отдельных случаях имеют жесткое крепление к пальцам или могут самостоятельно копировать рельеф поля за счет пружинного механизма [1, 2]. Технологический процесс, выполняемый стеблеподъемником, заключается в поднятии полеглых, а также отдельных срезанных стеблей. Успешное выполнение процесса в значительной степени обусловлено правильным выбором значения угла наклона α крыла стеблеподъемника. В существующих стеблеподъемниках угол α взят меньше угла трения стебля о металл, так как поверхность стеблеподъемника при движении машины должна брать на себя как срезанные, так и несрезанные стебли [3, 4]. Однако при таком упрощенном подходе к выбору угла замечается обволакивание крыльев стеблеподъемников при влажном стеблестое, и особенно при больших колебаниях микрорельефа поверхности поля. Зачастую при сильно сплетенном стеблестое имеет место сгруживание хлебной массы на стеблеподъемнике, мешающее нормальной работе уборочной машины. Все это говорит о том, что знания коэффициента трения стеблей убираемых культур при проектировании стеблеподъемников недостаточно, а качество работы стеблеподъемного устройства определяется и другими факторами. Поэтому возникает необходимость в исследовании процесса подъема стеблей зерновых и зернобобовых культур, определении конструктивных параметров и режимов работы стеблеподъемников жаток, в частности обосновании угла подъема стеблей при скашивании полегших зерновых и зернобобовых культур. Цель исследований Определение теоретической зависимости величины подъема стеблей от конструктивных и технологических параметров работы стеблеподъемного устройства уборочных машин при скашивании полегших зерновых и зернобобовых культур, а также технологических свойств убираемой культуры. Материалы и методы Математическое моделирование процесса подъема стеблей Рассмотрим движение стеблеподъемника со скоростью v0. Координатные оси направим по поверхности стеблеподъемника Ox и перпендикулярно - Oy. В точке О стеблеподъемник встречается с уже срезанным стеблем. При встрече происходит удар и стебель приобретает некоторую скорость v0, величина которой зависит от характера удара и в первую очередь от физических свойств соударяющихся тел. Во время удара стеблей технических культур о металлическую поверхность стеблеподъемника коэффициент восстановления имеет весьма небольшую величину, поэтому рассматриваемый удар в первом приближении можно принять абсолютно неупругим. При перемещении по поверхности стеблеподъемника на стебель действуют cила трения скольжения стебля о поверхность стеблеподъемника F, сила тяжести mg и сила реакции опоры N. Cовокупность сил, действующих на свободный срезанный стебель, представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема сил, действующих на срезанный стебель Угол трения между стеблем и металлической поверхностью обозначим через φ. Безусловно, после удара стебель поднимается на поверхность стеблеподъемника лишь при условии [3]. В противном случае стебель будет обволакиваться перед стеблеподъемником. При допущении абсолютной неупругости удара и при после встречи со стеблеподъемником стебель приобретает скорость, равную . Дифференциальное уравнение относительного движения стебля по поверхности стеблеподъемника будет: (1) где m - масса стебля; vx - скорость перемещения стебля по поверхности стеблеподъемника. Так как сила трения скольжения определяется по известной зависимости: где f - коэффициент трения скольжения стебля по поверхности стеблеподъемника, то (2) Интегрирование этого уравнения дает: или (3) В полученном выражении первая составляющая равенства является постоянной величиной, а вторая - со временем увеличивается. Безусловно, через определенное время t1 наступит момент, когда движение стебля вверх прекратится. Значение t1 определяется из выражения (3) при условии vx = 0: . (4) Для определения максимального перемещения Lx срезанного стебля, которое он проходит по поверхности стеблеподъемника, можно поступить следующим образом. Из выражения (3) после интегрирования имеем: . (5) Так как при t = 0, x = 0, то С1 = 0. Следовательно: . (6) Вместо t, взяв t1 из этого выражения можно получить: . (7) Результаты и обсуждение На основании полученной формулы (7) построены графики зависимости максимально возможного пути Lx, проходимого срезанным стеблем от угла наклона стеблеподъемника α при ϕ = 35° и скорости движения уборочной машины 1,5 и 2 м/с, приведенные на рис. 2. Рис. 2. Теоретическая зависимость максимально возможного перемещения Lx срезанного стебля от величины угла наклона стеблеподъемника α при ϕ = 35° и скорости движения уборочной машины 1,5 и 2 м/с Из графика на рис. 2, а также формулы (7) видно, что при повышении скорости движения машины предельное расстояние Lx, на которое может двигаться срезанный стебель, резко возрастает. Это говорит в пользу повышения скоростей уборочных машин, снабженных стеблеподъемниками. Кроме того, из графика (рис. 2) видно, что с уменьшением угла α путь Lx увеличивается. Но так как для работы стеблеподъемников главными является их способность поднимать стебли по возможности выше, считая от поверхности поля, то из рис. 1 видно, что высоту подъема срезанного стебля определяется по формуле: (8) На основе формулы (8) построены графики зависимости величины подъема h срезанных стеблей от угла наклона стеблеподъемника α при ϕ = 35° и скорости движения уборочной машины 1,5 м/с и 2 м/с, приведенных на рис. 3. Из графика (рис. 3) видно, что при увеличении угла α величина подъема срезанных стеблей стеблеподъемником возрастает. Но даже при скорости движения машины v0 = 2,0 м/с она не превышает 8 см (при α = 35°). Учитывая наличие микрорельефа поверхности поля, значение h = 8 см позволит поднять лишь небольшую часть срезанных стеблей. Формула (3) выражает относительную скорость движения срезанного стебля по поверхности стеблеподъемника. Если взять vx = const, то можно в координатной системе αOt получить кривую поперечного сечения поверхности стеблеподъемника, при движении по которому скорость срезанного стебля остается постоянной. Такая поверхность получается при постепенном уменьшении угла α, и, конечно, она может иметь практическое значение до α0. Однако расчеты показывают, что промежуток времени, при котором угол α уменьшается до α = 0, весьма небольшой, и поэтому для принятых скоростей движения уборочных машин выбор стеблеподъемников с такими поверхностями непрактичен. Стеблеподъемники значительно легче поднимают несрезанные стебли. Такие стебли могут находиться в любом положении относительно поверхности стеблеподъемника. Возьмем, например, их наклонное положение, как это показано на рис. 4. При движении поверхности по стрелке v0 стебель будет перемещаться в направлении оси Ох, но так как он связан в точке А, то перемещение его будет иметь составляющую также по оси Оy. Однако в рассматриваемом случае более важное значение имеет перемещение стебля в направлении оси Ох, поэтому вместо приведенной берем плоскую задачу и возвращаемся к рис. 1. В последнем случае к приведенным силам (рис. 5) прибавляется Р, являющаяся силой сопротивления изгибу стебля и направленная обратно направлению движения [5, 6]. При переходе от пространственной к плоской задаче в направлении оси Оx будет действовать составляющая сила Р, которую обозначим через Рх. Сила эта - переменная и в общем случае зависит как от перемещения стебля x, так и от скорости этого перемещения x′ по оси Оx. В общем виде данную силу обозначим Рx(х, x′). Рис. 4. Схема работы стеблеподъемника при встрече с несрезанным стеблем Рис. 5. Схема сил, действующих на несрезанный стебель Дифференциальное уравнение движения стебля в последнем случае в определенных пределах будет иметь следующий вид: (9) Но так как сила реакции опоры равна, то (10) (11) При t = 0, и Поэтому окончательно получим: (12) В формуле (12) значение третьего члена ограничивается условием: . (13) При равенстве обеих частей в выражении (8) стебель, попадая на поверхность стеблеподъемника, движется с относительной скоростью, равной скорости, полученной им в первый момент встречи со стеблеподъемником. Очевидно, чем больше сопротивление изгибу стебля, чем меньше угол γ (рис. 4), тем значение члена больше. Однако, как было сказано выше, его значение не может быть больше . Зачастую полеглые стебли переплетаются между собой. В последнем случае дифференциальное уравнение относительного движения опять будет иметь вид (6), а влияние переплетенных стеблей выразится силой Рx(х, x′). В обоих случаях сила Рx(х, x′) зависит от многочисленных случайных факторов, и поэтому ее значение для различных случаев можно определить лишь опытным путем [5, 6]. Однако наличие силы Рx(х, x′), особенно для стеблей, имеющих большой момент сопротивления изгибу или сильно переплетенных, взаимно поддерживающих, значительно облегчает подъем стеблей по поверхности стеблеподъемников. Безусловно, это относится к тому промежутку времени, когда срез стеблей еще не произошел. После среза стеблей их перемещение подчиняется закономерностям, приведенным ранее по зависимости (3). В силу того, что для различных культур сила Рx(х, x′) может изменяться в значительных пределах, в каждом случае необходимо путем лабораторных опытов определить ее значение, а затем, используя вышеприведенные теоретические изыскания, определять искомое значение угла α. Можно идти и другим путем: при помощи полевых опытов непосредственно определить наилучшее значение угла α. Однако этот путь более дорогостоящий, так как требует постановки весьма обширных опытов на различных участках. При этом необходимо учесть также влияние микрорельефа поверхности поля и тот факт, что при копировании рельефа поля постоянно меняется угол установки режущего аппарат по отношению к стеблестою на корню. Это влияет на качество среза и потери несрезанными растениями и зерном в зоне захвата машин и под валком. Выводы В результате данного исследования рассмотрена динамика процесса работы стеблеподъемника уборочной машины при подъеме полегших и срезанных стеблей. Определены аналитические зависимости величин поднятия и максимального перемещения срезанного и полегшего стебля от скорости уборочной машины и угла установки стеблеподъемника. Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что конструктивные параметры стеблеподъемника определяются не только коэффициентом трения скольжения стеблей убираемых культур, но и другими технологическими параметрами работы, а именно скоростью движения уборочной машины, величиной сопротивления изгибу стебля. Кроме того, полученные аналитические зависимости могут использоваться для проведения дальнейших исследований и модернизации стеблеподъемных устройств для зерноуборочных машин. Рис. 3. Теоретическая зависимость величины подъема срезанного стебля h от угла наклона стеблеподъемника α при ϕ = 35° и скорости движения уборочной машины 1,5 и 2 м/с

Об авторах

В. Н Примак

Донской государственный технический университет

Email: popov_a_ju@mail.ru
к.т.н. Ростов-на-Дону, Россия

А. Ю Попов

Донской государственный технический университет

Email: popov_a_ju@mail.ru
к.т.н. Ростов-на-Дону, Россия

Список литературы

Дополнительные файлы