Justification of a new technical solution for the development of potato harvesting machines

Full Text

Введение В настоящее время широко практикуется применение картофелеуборочных машин с прутковым и грохотным просеивающими устройствами. В них клубни картофеля отделяются от почвенной массы путем интенсивного ударного воздействия на пласт и просеивания почвы между прутками решета, существенно травмирует клубни [1, 2]. Кроме того, прутковые просеивающие устройства, выполненные на цепных тяговых контурах, не долговечны, так как шарниры, работающие в абразивной среде в отсутствии смазки, интенсивно изнашиваются. В этом отношении грохотные картофелеуборочные машины более долговечны. Однако в них решето подвержено залипанию растительными остатками и почвой, особенно при повышенной влажности последней. Цель исследований Научное обоснование нового технического решения к разработке перспективных картофелеуборочных машин. Материалы и методы В рамках поставленной цели нами предложена [3] конструктивно-технологическая схема новой машины (рис. 1). Машина содержит раму 1 с опорными колесами 2, решето, состоящее из продольных прутков 3, кинематически связанных задней частью приводным валом 4 посредством эксцентричных цапф 5, которые расположены в противофазе относительно друг друга, установлены передней частью с направляющей на оси 6 с роликами 7 и закреплены жестко через один к лемехам 8. В зазоре между прутками 3 на приводном валу 4 также установлены жестко битера 9 с загнутыми назад лопастями. Кроме того, задние части прутков, находящиеся за приводным валом 4, отогнуты вниз на угол, равный углу скатывания клубней картофеля, и свисают над транспортером 10. В средней части прутки также имеют продольные прорези. В них размещены битера 11 с загнутыми вперед лопостями. Они собраны в единый блок на оси 12, получающей вращение от приводного вала 4 цепной передачей. Предлагаемое устройство имеет следующий принцип работы. При движении машины вдоль рядков колеблющиеся лемехи 8, получающие движение вместе с прутками 3 от приводного вала 4, срезают пласт клубнями картофеля. При этом срез пласта происходит при совместном действии двух соседних лемехов 8, лезвия которых совершают возвратно-поступательные движения в плоскости, параллельной поверхности земли, под слоем клубней. Причем один из лемехов 8, движущийся против потока (по нижней части траектории), имеющий меньший угол α1 наклона к горизонту, врезается в почву, а другой, движущийся в направлении потока (по верхней части траектории), в это время раскрывает стык между пластом и дном борозды, отгибая пласт вперед в продольно-вертикальной плоскости на угол α2, больший угла α1 (рис. 2). Тем самым пласт срезается при меньшем угле лемеха к горизонту, при меньшем давлении (силе трения F1) на рабочей поверхности, следовательно, при меньшем тяговом сопротивлении машины. Срезанный пласт под действием силы подпора со стороны недеформированной почвы и под действием рабочей поверхности лемеха 8 и поверхностей прутков 3, отходящих назад по верхней части траектории возвратно-круговых движений, скользит к задней части машины. В процессе скольжения на рабочей поверхности лемехов 8 и на прутках 3 пласт периодически сгибается под действием последних и разгибается под действием собственного веса в продольной и поперечной плоскостях (см. рис. 2), а также испытывает периодическую растягивающую силу со стороны прутков 3 под действием силы трения F2 и со стороны битеров. В это время машина получает дополнительную толкающую силу (от реакций в опорах приводного вала 4). В результате указанных деформаций пласт интенсивно разрушается, клубни отделяются, почва просеивается в зазорах между прутками 3. Далее поток подхватывается сначала битерами 11, а потом битерами 9 и отводится назад (см. рис. 1). При этом остатки почвы полностью просеиваются за счет интенсивного деформирования пласта. На наклонной задней части прутков клубни картофеля без ботвы скатываются сразу на транспортер 10, а клубни с ботвой и остатки растений временно задерживаются на них. Когда лопасти битеров 9 заходят в зазор между прутками 3, затягивают ботву и остатки растений и отделяют от клубней. Затем клубни после отделения от ботвы также скатываются по изогнутой части прутков 3 на транспортер 10, а остатки ботвы и растительности падают с лопастей битеров на землю. Далее поток клубней укладывается на землю в валок. Эффективность функционирования данной машины, т.е. интенсивность разрушения пласта и устойчивость транспортирования клубней на решете, существенно зависит от кинематического режима работы машины. Далее более подробнее остановился на этом. При исследовании кинематики рабочего процесса машины следует заметить, что прутки решета совершают движение, аналогичное движению фиктивной поверхности AB′, так как звено ABB′ остается абсолютно жестким за все время движения механизма (рис. 3). К тому же движение фиктивной поверхности AB′ можно рассматривать как движение шатуна в фиктивном кривошипно-шатунном механизме AB′C. Исследуем движение в неподвижной, относительно рамы машины, декартовой системе координат XOY. Для этого механизм представим в промежуточном положении в момент времени t, когда угол поворота эксцентрика, отсчитываемый от горизонтали, составит ϕ = = ω1t (здесь ω1 - угловая скорость эксцентрика). Уравнение движения точки А лотка при этом имеет вид: (1) где r - эксцентриситет эксцентрика; - длина фиктивной поверхности AB′; β - угол между фиктивной поверхностью AB′ и горизонталью в данном положении эксцентрика. В уравнении (1): (2) Из рис. 3 видно, что: где е - координата оси вращения эксцентрика на оси OY. Откуда: Или, обозначив e/r через k1, r/lAB′ через λ1, после преобразований получим: (3) Тогда равенство (2) примет вид: Разлагая в данном выражении правую часть в степенной ряд по биному Ньютона [4] и пренебрегая в нем малыми по величине членами, содержащими λ в степени выше второй, имеем: (4) Подставляя выражение (4) в уравнение (1), получим: (5) Дифференцируя уравнение (5) по времени, находим уравнение скорости точки А прутка: (6) Скорость точки B’ фиктивной поверхности и направлена перпендикулярно эксцентриситету в сторону вращения эксцентрика. Проведя в точках А и В′ перпендикулярны к векторам и , определим положение мгновенного центра Р скоростей фиктивной поверхности прутка. Тогда скорость произвольной точки D′ фиктивной поверхности в данной момент времени перпендикулярна PD′ и будет иметь место равенство: где - касательная к фиктивной поверхности лотка проекция скорости . Или с учетом выражений (4) и (6) получим: (7) В рассматриваемом устройстве угол между фиктивной и рабочей поверхностями прутка: (8) где lAB - расчетная длина рабочей поверхности прутка, расположенной между точками А и В; Rд - радиус диска эксцентрика. Как видно из выражения (8), угол ψn является постоянной величиной. Он достаточно мал - не превышает 50. Поэтому можно считать характер движения фиктивной и рабочей поверхностей одинаковыми, пренебрегая углом ψn. При этом касательную скорость точки D на рабочей поверхности прутка, соответствующей точке D′, найдем в форме (7), т.е. представим в виде: (9) Результаты и обсуждение Графики изменения касательной скорости точки D прутка с учетом параметров r = 20 мм, λ = 0,05, k1 = 6,5 показаны на рис. 4 в зависимости от угла поворота ω1t и угловой скорости ω1 вращения эксцентрика. Следует заметить, что касательные проекции скоростей всех точек рабочей поверхности прутка равны друг другу согласно теореме о проекциях скоростей тела, совершающего плоскопараллельное движение. Отсюда вытекает вывод, что рабочая поверхность прутка оказывает действие на пласт в направлении его движения одинаково, а выражение (9) характеризует однозначно кинематическое взаимодействие его с рабочей поверхностью прутка. При этом следует заметить, что интенсивность разрушения пласта на решете будет зависеть в большей степени от соотношения проекции скорости Vt машины и касательной скорости . Для объяснения сущности этого явления условно разделим весь цикл процесса взаимодействия прутков, расположенных в противофазе относительно друг друга, при конкретной угловой скорости вращения эксцентрикового вала, например при (см. рис. 4) с пластом почвы на пять характерных фаз: , , , и . В фазах движения прутков и , следовательно пласт под действием силы трения со стороны прутков в рабочем ходе будет растягиваться. В фазе движения , и , поэтому пласт под действием сил трения со стороны прутков будет сжиматься. Такое циклическое действие (сжатие и растяжение) будет способствовать интенсивному разрушению пласта, следовательно лучшему просеиванию почвы в зазорах между прутками. Причем, как известно из источников [5, 6], почва будет лучше крошиться при растяжении. Поэтому целесообразно выбрать повышенные значения угловой скорости ω1 вращения эксцентрикого вала, так как при этом большая часть цикла процесса будет соответствовать условию: . Однако, на наш взгляд, чрезмерное увеличение угловой скорости вращения эксцентрикого вала может привести к механическим повреждениям клубней в процессе взаимодействия с прутками, поэтому рекомендуем ограничиться . Выводы 1. Предложено и обосновано теоретически новое техническое решение при разработке картофелеуборочных машин, основанное на применении сепарирующих прутьев, установленных на эксцентриковом валу. 2. В целях обеспечения интенсивного разрушения пласта почвы на прутьях рекомендуется принять угловую скорость вращения эксцентрикого вала . Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема новой картофелеуборочной машины: а - вид сбоку; б - вид сверху Рис. 2. Схема взаимодействия машины с пластом почвы Рис. 3. Схема к исследованию кинематики рабочего процесса машины Рис. 4. Графики изменения касательной скорости точки D прутков, расположенных в противофазе относительно друг друга в зависимости от угла поворота эксцентрикового приводного вала в сравнении с проекцией Vτ рабочей скорости машины: 1 - ; 2 - ; 3 -; 4 - ; 5 -

About the authors

S. S Alatyrev

Chuvash State Agricultural Academy

Email: S_Alatyrev1955@mail.ru
DSc in Engineering Cheboksary, Russia

I. S Kruchinkina

Chuvash State Agricultural Academy

Email: S_Alatyrev1955@mail.ru
PhD in Engineering Cheboksary, Russia

A. S Alatyrev

Chuvash State Agricultural Academy

Email: S_Alatyrev1955@mail.ru
PhD in Engineering Cheboksary, Russia

References

Supplementary files