Substantiation of the haulm removing machine operating element rotation optimum frequency

Abstract

Theoretical research of the haulm removing operating element working process has been provided. A general work character and substantiation of optimum parameters of the rotational operating element has been studied.

Full Text

Наибольшее применение на уборке лука (севка и репки) находят лукоуборочные машины теребильного типа, позволяющие снизить содержание почвенных примесей в уложенном валке до 6% [1]. Качественная работа лукоуборочных машин теребильного типа обеспечивается лишь при надлежащей подготовке поля перед уборкой. Для решения этой проблемы разработана машина для удаления листостебельной массы перед уборкой лука. Цель исследования – повышение качества работы ботвоудаляющей машины. Задачей исследования являлось определение оптимальных значений конструктивных и режимных параметров ротационного рабочего органа. Ботвоудаляющая машина, разработанная в Пензенской ГСХА и ООО «КЗТМ» г. Кузнецк, предназначена для удаления листостебельной массы перед уборкой лука, что сокращает сроки его уборки, увеличивает производительность выкапывающих и подбирающих машин, сокращает затраты на послеуборочную сушку, улучшает лежкость при хранении [2, 3]. Ботвоудаляющая машина (рис. 1) состоит из рамы 1 с устройством для присоединения к трактору 2, опорно-копирующих колес 3, установленных на стойках 4 с механизмом механического регулирования высоты скашивания 5, редуктора 6 и рабочих органов, состоящих из валов 7 и встречно вращающихся ножей 8, закрытых кожухом 9. Привод осуществляется от ВОМ трактора посредством механизма привода, редуктора 6 и ременных передач [4]. Рис. 1. Схема ботвоудаляющей машины: 1 – рама; 2 – устройство для присоединения к трактору; 3 – опорно-копирующие колеса; 4 – стойка; 5 – механизм механического регулирования высоты скашивания; 6 – редуктор; 7 – валы; 8 – ножи; 9 – кожух Процесс удаления листостебельной массы происходит следующим образом. При движении машины по полю опорные колеса копируют его рельеф, а за счёт механического регулирования высоты скашивания обеспечивается заданная высота удаления ботвы лука и сорных растений. При вращении ротационных рабочих органов внутри кожуха 9 создается воздушный поток, поднимающий ботву лука и сорные растения и подводящий их в зону резания, где происходит срез, измельчение и отвод через ботвоотводящее окно на междурядье. Ботвоудаляющая машина содержит три ротационных рабочих органа, закрытых сверху кожухом 9, имеющим ботвоотводящее окно (рис. 1). Каждый рабочий орган выполнен из попарно расположенных ножей 8, установленных на валу 7 [5, 6]. Ввиду того, что валы находятся в вертикальной плоскости и расположены под углом 50°…60° к продольной оси рамы, а средний вал установлен в точке пересечения вертикальной плоскости и оси рамы, происходит перекрытие зон резания рабочих органов, что способствует полному удалению листостебельной массы по всей ширине грядки [7]. Для того чтобы обеспечить полное удаление листостебельной массы, в том числе полегшей и изломанной ботвы лука и сорных растений нужно обеспечить подъемную силу, создаваемую вращением ротационного рабочего органа, чтобы ботва лука и сорных растений поднялась и при этом срезалась [8]. Ротационный рабочий орган представляет собой осевой вентилятор с лопастями, которые к тому же являются ножами, срезающими листостебельную массу (рис. 2). Передача энергии потоку воздуха в рабочем органе происходит при помощи ножей, закрепленных на валу. Рабочий орган перемещает воздух вдоль оси вала, при этом закручивая воздушный поток. Для рассмотрения работы данного рабочего органа используем теорию решетки профилей. Рассекая рабочий орган цилиндрической поверхностью радиусом r и развертывая эту поверхность с сечениями ножей, получаем плоскую решетку профилей рабочего органа. Основные величины, характеризующие геометрию решетки, следующие: B – ширина решетки; b – длина хорды сечения ножей; β1Ё, β2Ё, – лопастные углы на входе и выходе; β∞ – угол установки ножа, угол между хордой ножа и осью решетки. Для упрощения расчетов аэродинамических сил, действующих на листостебельную массу, произведем расчет одного ротационного рабочего органа. Рис. 2. Схема рабочего органа: 1 – кожух; 2 – вал; 3 – ножи При вращении ротационного рабочего органа под ним создается разрежение и поток воздуха, который поднимает ботву лука и сорные растения. Силовое взаимодействие потока воздуха с растениями сводится к одной силе лобового сопротивления, при этом сила совпадает с направлением течения воздуха. Совместно с разрежением, создаваемым ротационным рабочим органом, через щель между кожухом и землей всасывается воздух, образуя неравномерное поле скоростей в набегающем потоке воздуха, при этом на ботву лука и сорные растения начинает действовать подъемная сила и аэродинамический момент, которые способствуют поднятию растений и подводу их в зону резания ножей (рис. 3). Рис. 3. Схема сил, действующих на листостебельную массу Элементы ножей, находящиеся на различных расстояниях от вала, вращаются с неодинаковыми скоростями. Вследствие этого ножи с постоянной шириной и углом наклона создают разрежение, изменяющееся по длине ножей. Это приводит к радиальным перемещениям воздуха и срезанной ботвы лука и сорных растений в проточной полости ножей, что способствует измельчению и отводу ботвы лука и сорных растений к ботвоотводящему окну и укладки ее на междурядье. Для поднятия листостебельной массы скорость воздуха должна быть больше скорости витания и трогания. С помощью законов аэродинамики определим зависимости для этих двух скоростей. Для упрощения расчетов рассмотрим подъем листьев одного растения. Вначале установим зависимость для скорости витания. Пусть на листья лука весом набегает поток воздуха, двигающийся снизу вверх с такой скоростью , что листья лука не поднимаются и не опускаются, а находятся на одном и том же уровне, как бы, зависая в воздухе. Скорость, при которой это происходит, называется скоростью витания [10] . Очевидно, эта скорость определяется при условии, что подъемная сила равна весу листьев лука (1) где – ускорение свободного падения, м/с2; – коэффициент подъемной силы; – масса листьев лука, кг; – скорость витания, ; – площадь лобового сопротивления листьев лука, ; – плотность воздуха, кг/м3. Из уравнения (1) выведем скорость витания: . (2) Для подъёма листьев лука скорость воздуха должна быть больше скорости витания : . Для упрощения примем аэродинамический момент равным нулю. Листья лука в данном случае будут подниматься вверх со скоростью , определяемой уравнением (3) Для вычисления минимальной частоты вращения ротационного рабочего органа, необходимой для создания потока воздуха, который обеспечит подъем листьев лука со скоростью , рассмотрим следующее уравнение: (4) где – осевая скорость воздуха, создаваемая рабочим органом, м/с; – подача рабочего органа, м3/с; – диаметр рабочего органа, м; – относительный диаметр вала, принимают 0,4-0,8; – коэффициент расхода, принимают 0,6-1; – окружная скорость, м/с; – частота вращения рабочего органа, с–1. Таким образом, частоту вращения рабочего органа, необходимую для создания потока воздуха со скоростью найдём из выражения (5) После подсчёта оптимальная частота вращения, обеспечивающая подъем листостебельной массы и её срез, находится в пределах 1500-1900 мин–1, для рабочего органа с радиусом траектории вращения ножей 0,25 м. Для подтверждения теоретических расчетов были проведены лабораторные испытания с целью нахождения оптимальных конструктивных и режимных параметров ротационного рабочего органа. Испытания проводились на установке, смонтированной на почвенном канале. В ходе опытов были определены основные факторы, влияющие на технологический процесс удаления листостебельной массы и их возможные пределы варьирования, качественные показатели (полнота удаления ботвы, повреждения луковиц). При обработке результатов лабораторных исследований использовалась методика планирования многофакторного эксперимента. Для получения математической модели процесса удаления листостебельной массы, учитывающей совокупное влияние изучаемых факторов на эффективную работу ботвоудаляющего устройства, и определения их оптимального сочетания, было использовано оптимальное планирование эксперимента. При планировании эксперимента для предлагаемого ботвоудаляющего устройства в качестве критерия оптимизации была принята полнота удаления, которая наиболее полно оценивает качество работы ботвоудаляющего рабочего органа. В качестве факторов, влияющих на полноту удаления листостебельной массы, на исследуемом ботвоудаляющем устройстве были выбраны три наиболее значимых фактора: частота вращения рабочего органа, высота установки рабочего органа относительно поверхности поля, угол установки ножей. После изучения двумерного сечения поверхности отклика (рис. 4) в зоне оптимальных значений факторов были определены оптимальные значения конструктивно-кинематических параметров ботвоудаляющего устройства: частота вращения рабочего органа n = 1480-1820 мин-1, угол установки ножей β=51-61 град. при параметре оптимизации равном 97,5-97,75% [9]. Рис. 4. Двумерное сечение, характеризующее зависимость полноты удаления листостебельной массы от угла установки ножей и частоты вращения рабочего органа В результате теоретических исследований процесса работы рабочего органа ботвоудаляющей машины обоснованы оптимальные значения конструктивных и режимных параметров ротационного рабочего органа. Значения, полученные при лабораторных исследованиях, полностью подтверждают зависимости, выявленные теоретическим исследованием.