Method for parameters substantiation of deflector of single-drum stripper header

Abstract

The article proposes a method for parameters substantiation of deflector of stripper header, taking into account the physical and mechanical properties of standing crops.

Full Text

Основной недостаток очесывающих жаток - потери зерна при контакте с обтекателем, а также в рабочей зоне очесывающего устройства. Причины, вызывающие потери зерна в рабочей зоне очесывающего устройства, рассмотрены в работе [1]. В данной работе рассматривается процесс взаимодействия очесываемых растений с обтекателями различной формы, предлагаемыми или реализуемыми в конструкциях очесывающих жаток. Анализ различных форм наружной поверхности обтекателей показал, что их условно можно разделить на две группы: 1) выпуклые навстречу очесываемым растениям с различными радиусами кривизны; 2) выпуклые, состоящие из двух частей различной кривизны либо из частей, соединенных между собой наклонным или горизонтальным участком. На рис. 1 представлен фрагмент процесса очеса озимой пшеницы жаткой с одним из вариантов обтекателя второго типа. При работе жатки с обтекателем этого типа возможны существенные потери зерна за счет отрыва колосьев, особенно при проведении уборки за пределами агросрока. Использование обтекателей первого типа в конструкциях очесывающих жаток показало, что при контакте колосьев с выпуклой поверхностью в точке перегиба или выше происходит прямой удар либо захлестывание стебля с обмолотом и отрывом колоса. У обтекателей второго типа нижняя часть поверхности наклонена вперед по ходу жатки под большим углом, чем у первого. Захлестывание стебля с обмолотом и отрывом колоса у обтекателя второго типа происходит, если точка контакта растения с ним расположена выше линии, соединяющей участки различной кривизны. Величина ударного импульса зависит от скорости соударения контактирующих тел, в рассматриваемом случае - от скорости движения комбайна. Но ограничение скорости приводит к снижению производительности уборочной машины. Потенциальные возможности увеличения производительности возрастают при уборке очесом за счет резкого снижения поступающей в молотильно-сепарирующее устройство соломистой фракции. Поэтому предлагаемые технические решения конструкции обтекателя должны обеспечивать оптимальный режим его работы при максимально достижимых скоростях движения комбайна. Для снижения потерь зерна на обтекателе его поверхность должна быть наклонена вперед по ходу жатки, что обеспечит распределение импульса на составляющие: 1) перпендикулярную к поверхности обтекателя, вызывающую прямой удар; 2) направленную вдоль поверхности. Длина наклонной поверхности обтекателя должна обеспечивать контакт с очесываемыми растениями во всем диапазоне варьирования их высоты. Очевидно, что чем больше угол наклона поверхности обтекателя, тем меньше величина нормальной составляющей, вызывающей удар по колосу. При разработке конструкции обтекателя необходимо также учитывать, что кроме основного назначения она должна обеспечивать без демонтажа доступ к очесывающему барабану для выполнения обслуживания и проведения ремонтных работ по замене секций очесывающих зубьев или граблин. Таким образом, для выбора оптимальных параметров обтекателя необходимо знание режимов работы и расположения зон взаимодействия рабочих органов очесывающего устройства с растениями, имеющими различные физико-механические характеристики, а также достаточно обширные знания о собственно физико-механических характеристиках всех видов культур, убираемых очесом. На рис. 2 показана схема жатки с формой обтекателя второго типа при очесе выровненного и не выровненного по высоте хлебостоя. При уборке выровненного по высоте хлебостоя (см. рис. 2, а) предпочтительное положение нижней кромки обтекателя - на уровне горизонтальной плоскости, проходящей через ось очесывающего барабана, или близкой к ней. Это соответствует длине стебля h2 и максимальному значению угла начала очеса . При этом колос будет перемещаться по поверхности вращающегося и движущегося вперед с жаткой барабана, подвергаясь воздействию очесывающих гребенок оптимальное количество раз, что снижает вероятность недоочеса. Расстояние от точки, в которой произошло разрушение колоса, до наружной кромки ложа шнека будет минимальным, вследствие чего вероятность затягивания зерна в зазор между очесывающими зубьями и кромкой минимальна. Отрыв стебля за счет сил трения по поверхности барабана при этом также маловероятен [1]. Следует отметить, что в данном случае длина стебля должна быть больше или равна сумме R + h3, где h3 - минимальный допустимый зазор между концами очесывающих зубьев и поверхностью поля. Для исключения прямого удара по колосу нижняя плоскость обтекателя должна быть наклонена к поверхности под углом, при котором импульс силы, возникающий при контакте с колосом, будет меньше импульса, вызывающего выделение из него зерна. При очесе не выровненного по высоте хлебостоя (см. рис. 2, б) для соблюдения указанных выше условий и обеспечения оптимального угла начала очеса минимальных по высоте растений нижняя кромка обтекателя должна находиться на высоте крепления колоса к стеблю, а верхняя - на уровне верхней кромки колоса растения максимальной длины. При этом нижняя кромка обтекателя займет положение по высоте h2, а верхняя должна располагаться на высоте h. Задача сводится к нахождению длины нижней плоскости обтекателя и угла его наклона, при которых потери зерна минимальны. Рассмотрим процесс взаимодействия обтекателя с растениями зерновых колосовых культур, стебли которых имеют малую жесткость. Из работы [2] следует, что в момент удара по колосу для зерновых колосовых культур силой упругости стебля малой жесткости можно пренебречь. При принятом допущении процесс взаимодействия разделим на следующие этапы: 1) удар; 2) гашение скорости колоса, полученной после удара; 3) движение колоса по поверхности обтекателя. С обтекателем взаимодействует плотный поток движущихся растений. Первое растение взаимодействует с обтекателем колосом. После удара скорость колоса снижается и в дальнейшем гасится стоящими за ним растениями, которые, наклоняясь вперед по ходу жатки, за счет суммарных упругих сил прижимают его к поверхности обтекателя. Возникает нормальная реакция N, в результате действия которой на перемещающийся по поверхности обтекателя колос воздействует сила трения, способствующая выделению зерна из колоса. Таким образом, отрыв зерна от колоса может произойти в первой фазе в процессе удара и во второй за счет сил трения колоса по поверхности обтекателя. После удара о плоскость обтекателя растение теряет энергию, равную: = (V12 - V22), (1) где V1, V2 - скорости колоса до и после удара о нижнюю плоскость обтекателя; m - масса колоса. Значения составляющих выражения (1) после удара, как и в работе [1], находим на основании гипотезы сухого трения Ньютона: (Vτ2 - Vτ1)= ± f (Vn2 - Vn1) , (2) где Vn1, Vτ1 и Vn2, Vτ2 - нормальная и тангенциальная составляющие скорости колоса до и после удара; f - коэффициент трения чешуек колоса по плоскости обтекателя, выполненной из определенного материала. До удара колоса о плоскость обтекателя составляющие его скорости равны: Vn1 = V1 sin ; (3) Vτ1 = V1 cos , (4) где - угол наклона нижней плоскости обтекателя к горизонтальной поверхности. При =/2 обтекатель контактирует с колосом по всей его длине, при /2 обтекатель контактирует с верхней зерновкой колоса. Согласно [3], (Vn2 / Vn1) = -К. С учетом этого Vn2 = -Vn1К, (5) где К - коэффициент восстановления. Из выражения (5) видно, что Vn2 тем меньше, чем меньше Vn1 и К. Тангенциальную составляющую скорости колоса после контакта с плоскостью обтекателя находим в соответствии с (2) по выражению: Vτ2 = Vτ1 ± f Vn1 (1 - К). (6) Скорость после удара с учетом выражений (5), (6): . (7) Приобретенная колосом энергия способствует отделению зерна. Критическая ситуация складывается тогда, когда полученная колосом при ударе энергия воздействует на контактирующее с обтекателем зерно. Если потеря энергии, вычисленная в соответствии с выражением (1), будет больше затрат энергии А на вымолот одного зерна из колоса [4], то оно отделится от колоса и будет потеряно. Чтобы в процессе удара не произошло отделение зерна от колоса, необходимо соблюдение неравенства А. 2А(V12 - V22), (8) где V2 определено по выражению (7). Тогда из (8) максимально допустимая скорость движения комбайна: V1 + V2 . После удара колоса о нижнюю плоскость обтекателя его скорость V2 гасится как за счет упругих сил всего растения, так и за счет набегающих на обтекатель других растений. В следующей фазе на чешуйки колоса действует сила трения: Fтр = Nf , (9) где f - коэффициент трения колоса о плоскость обтекателя. Усилия, действующие на колосья, которые в данный момент контактируют с плоскостью обтекателя, можно определить лишь опытным путем. Для этого датчиками, установленными на плоскости обтекателя, замеряют нормальную составляющую N, подставляемую в формулу (9). Для экспериментального определения нормальной составляющей может быть использована лабораторная установка [5], созданная в СКНИИМЭСХ (рис. 3). Она выполнена в виде стационарного очесывающего устройства с шириной захвата, соответствующей одному рядку растений. Его имитирует бегущее поле, выполненное в виде двух уголков, снабженных опорными колесами. На один из уголков укладывают рядок растений с заданными характеристиками и плотностью укладки. Затем соединяют уголки, устанавливают на опорные колеса и присоединяют поле к механизму привода. Очесывающий барабан при проведении этих опытов демонтируют. Все параметры установки регулируемые. Одна боковина выполнена из прозрачного пластика, что обеспечивает возможность визуального наблюдения и видеозаписи. Для определения нормальной составляющей на основе данных о варьировании длины растений составляют план эксперимента, в котором в качестве переменных, влияющих на потери зерна при контакте колосьев с обтекателем, учитываются скорость движения бегущего поля, угол наклона нижней плоскости обтекателя, высота положения нижней кромки обтекателя и максимальная высота расположения верхней кромки нижней плоскости обтекателя. По данным Я.В. Губанова [6] и других исследователей, при достижении полной спелости и снижении влажности до 22% и ниже плодоножка отмирает, зерно теряет связь с материнским растением. Известно [6], что после полной спелости зерно в колосе удерживается чешуйками, отделение которых от колоса приводит к потерям зерна. Польские ученые R. Reznicek, K. Patocka, J. Kadrmas, а также B. Szot, S. Grundas, J. Tys с применением специальной высокоточной аппаратуры Instron установили, что средняя прочность связывания зерна с колосом перед уборкой колеблется: у яровых сортов пшеницы от 0,96 до 1,72 Н; у озимых от 1,02 до 2,09 Н [7]. Свойство осыпаемости связано с прочностью прикрепления колосковых чешуй к колосовому стержню. По этому признаку, как следует из специальных испытаний на разрыв, все сорта можно разделить на следующие группы [7]: - осыпающиеся, выдерживающие от 2,26 до 4,32 Н; - неосыпающиеся, выдерживающие от 5,1 до 7,16 Н; - сорта с тугим обмолотом, выдерживающие 12,5 Н и больше. Если сила трения, возникающая на колосковых чешуйках, контактирующих с обтекателем, будет выше указанных пределов, то возможен их отрыв от колоса с последующей потерей зерна. Коэффициент трения чешуек колоса по стали можно определить по таблице, приведенной в справочнике [4], или экспериментально. Для определения длины нижней плоскости обтекателя и оценки работы всего очесывающего устройства необходимо иметь данные о варьировании высоты растений на убираемых массивах. Выполнены исследования по изучению изменчивости длины растения и длины колоса озимой пшеницы сорта «Зерноградка-11» в пределах полевого массива. Разметку поля проводили в соответствии с [8] по прямой, проходящей по центру поля, и диагоналям, разделенным на десять равных участков, а отбор образцов - по упрощенному способу в тридцати точках пересечения. Более подробно результаты выполненных исследований представлены в работе [9]. Поскольку допустимая величина потерь зерна за жаткой измеряется долями процента, то изменчивость высоты растений в пределах одной площадки определяли по значению ее предельного отклонения, т.е. по правилу Х ± 3σ. Наибольшие различия по статистическим характеристикам получены на площадках В8 и В10. На площадке В8 варьирование высоты растений составило соответственно от 0,94 до 0,35 м, а на площадке В10 - от 1,23 до 0,49 м. Таким образом, на данном конкретном поле максимальная разность растений по высоте составила 0,74 м. У озимой пшеницы сорта «Айвина» [10], выращенной на другом поле, максимальное значение высоты растения равно 0,85 м, а минимальное 0,15 м при разнице в 0,7 м. Анализ исследований ученых-агрономов, например [11, 12], показывает наличие конкуренции растений, расположенных в кусте или непосредственной близости к нему, вследствие чего низкорослые растения имеют недоразвитый колос и зачастую в них отсутствует зерно. При справедливости этого утверждения высота h2, на минимальное значение которой необходимо устанавливать нижнюю кромку обтекателя, может быть увеличена, что создаст наиболее благоприятные условия для протекания процесса очеса полноценных растений [1]. Количественную оценку отмеченного выше явления выполнили на озимой пшенице сортов «Айвина» и «Зерноградка-11». Для этого по методике [8] собирали на каждой площадке по 25 растений при общем объеме выборки 825 ед. Полученную генеральную выборку разбили по высоте растений на семь групп с интервалом 0,1 м [10]. Распределение частот по данным измерений озимой пшеницы сорта «Айвина» представлено на гистограмме (рис. 4). Далее из всех групп выделили растения, колосья которых не содержали зерна. Было установлено, что на исследуемых массивах в колосьях растений обоих сортов высотой менее 0,45 м, выращенных на конкретных полях и в конкретных условиях, зерно полностью отсутствует. Из полученных результатов следует, что при настройке очесывающего устройства для работы на конкретном поле необходимо предварительно визуально определить высоту растений, в колосьях которых гарантированно отсутствуют зерна. В общем случае длину нижней плоскости обтекателя можно определить по выражению: L = (h - h2) / sin , (10) где h - максимальная высота растений на участке; h2 - минимальная длина стеблей растений на участке, содержащих в колосе зерно. При этом в выражении (10) принимают минимальное значение угла , исключающее потери зерна при ударе в соответствии с формулами (3), (4) и при движении колоса по поверхности обтекателя. При проектировании очесывающего устройства, выборе длины и угла наклона нижней плоскости обтекателя следует учитывать, что срок службы очесывающей жатки составляет 7 лет. Как видно из приведенных данных, даже для одной культуры изменение высоты растений весьма существенно, поэтому размер нижней плоскости обтекателя должен быть адаптирован к работе на хлебостое во всем диапазоне его варьирования за весь срок службы эксплуатации очесывающего устройства. Выполненные исследования показали, что угол наклона нижней плоскости обтекателя должен варьироваться в диапазоне 0,44-0,66 рад, а конструкция обтекателя - обеспечивать возможность его регулирования. Силу трения колоса о нижнюю плоскость обтекателя можно снизить, если изготавливать его из материала, при контакте колоса с которым коэффициент трения имеет минимальное значение, например из пластика СВМПЭ или ВМПЭ.