SWorld - 2-12 October 2012 http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/conference/the-content-of-conferences/archives-of-individual-conferences/oct-2012 SCIENTIFIC RESEARCHES AND THEIR PRACTICAL APPLICATION. MODERN STATE AND WAYS OF DEVELOPMENT ‘2012,

Стаття / Технічні науки – Техніка в сільськогосподарському виробництві

УДК 631.355.06 Завірюха М.В.

ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНОГО ПОШКОДЖЕННЯ КАЧАНІВ ПІД

ЧАС ВІДОКРЕМЛЕННЯ НА СТРЕПЕРНИХ ПЛАСТИНАХ

Миколаївський державний аграрний університет

В даній доповіді викладені результати дослідження механічного

пошкодження качанів під час їх відокремлення на стреперних пластинах

качановідокремлювального апарату

Ключові слова: кукурудза, травмованість, втрати, удар

Кращим строком збирання кукурудзи на зерно вважається період, коли

вологість зерна знаходиться в межах 25-30%. У цей термін забезпечуються

мінімальні втрати врожаю, так як в цей час зерна качана міцно пов'язані зі

стрижнем і полеглість рослин (при нормальному їхньому розвитку) майже

відсутня [1].

Збирання кукурудзи повинне проводитися в найкоротший термін з

настанням стиглості зерна, тому що зі збільшенням тривалості стояння стиглої

кукурудзи на корені збільшуються обвисання качанів і вилягання стебел

рослин.

При досягненні повної стиглості зерна кількість прямостоячих стебел

кукурудзи складає 89,3%, нахилених - 10,2%, полеглих - 0,5%; нормальні

терміни збирання: прямостоячих - 75%, нахилених - 24%, полеглих - 1%; пізні

терміни збирання - 63,5%, 30%, 6,5%, відповідно [2].

Полеглість кукурудзи негативно позначається на якості роботи збиральних

машин, збільшуючи втрати врожаю через непідібрані полеглі рослини.

Проблема підвищення продуктивності обмежується фактором дрейфу в

часі фізико-механічних властивостей качанів. чим менша вологість качанів

кукурудзи, тим більше вони схильні до випадання зерен на стреперних

пластинах, тому агротехнічний термін збирання складає 7-12 днів. Це можна

довести отриманими залежностями втрат і вилущення зерна від вологості зерна

при збиранні кукурудзи комбайном КСКУ-6 за даними різних років [4] (рис. 1).

Основним робочим органом кукурудзозбиральної жатки є

качановідокремлювальний апарат. В сучасних кукурудзозбиральних машинах

широкого поширення отримали стреперні качановідокремлювальні апарати, у

яких відрив качанів здійснюється на нерухомих стреперних пластинах.

▲ - данні1984-1994рр.; ■ - данні1995-2005рр.

Рис. 1. Залежність вилущення від вологості зерна при періодичних випробуваннях комбайна КСКУ-6

Недоліком цих апаратів є обмеження по швидкості обертання

протягувальних вальців, що негативно позначається на підвищенні

продуктивності збирання кукурудзи. Це обмеження пов'язано з тим, що зі

збільшенням окружної швидкості вальців зростає ударний імпульс при

взаємодії качана з пластинами, що веде до пошкодження основи качана і втрат

врожаю за рахунок втрат зерна та його травмування. У зв'язку з цим

актуальною є задача зниження ударного імпульсу при відриві качанів [3].

Ми ж бачимо свою проблему в розробці теоретичних основ "м'якого

удару", що дозволяє знизити миттєві сили, що виникають при ударі качанів за

рахунок збільшення часу ударного імпульсу. Це дозволить, в кінцевому

рахунку, збільшити швидкість протягувальних вальців, а отже - і

продуктивність комбайна. Для цього необхідно розглянути закономірність

руйнування качана в стреперному качановідокремлювальному апараті.

Рух стебла в руслі качановідокремлювального апарату складається з двох

фаз.

У першій фазі спостерігається вільний рух стебла по конусному зазору

протягувальних вальців. Цей рух триває до тих пір, доки зазор між вальцем та

кожухом Z більше діаметра стебла dст (див. рис. 2). При досягненні умови dст ≥

Z, стебло зупиняється, а рух машини продовжується.

У другій фазі під дією руху машини стебло вигинається в напрямку, який

співпадає з напрямком швидкості кукурудзозбиральної машини і займає

положення, яке близьке перпендикулярному відносно стриперних пластин. При

цьому протягувальний валець, врізаючись в стебло частково його руйнує і

протягує вниз.

У третій фазі рух стебла здійснюється наступним чином: під дією лапок

ланцюгів частина стебла, яка розташована вище стреперних пластин,

нахиляється в сторону, що протилежна напрямку руху кукурудзозбиральної

машини і потрапляє у верхню частину вальців, де захоплюється рифами. При

досягненні умови захоплення стебло протягується вниз, одночасно стискаючись

і згинаючись.

Таким чином в кінцевому варіанті, стебло з качаном одночасно бере участь

у двох рухах: поступальному (Vп) і переміщенні вниз під дією протягувальних

вальців (Vпр). Сумарна швидкість качана при зустрічі з стреперними

пластинами дорівнює векторній сумі цих швидкостей (рис. 3).

Рис. 3. Схема швидкостей руху качана при відокремленні на стреперних

пластинах Зовнішню силу, що виникає при ударі качана об стреперні пластини,

можна визначити на основі ударного імпульсу, якщо задатися часом удару:

,tFJ уд ∆⋅= (1)

де J - ударний імпульс, Нс;

удF - сила удару, Н;

t∆ - час удару, с.

Швидкість прV можна визначити з допустимого ударного імпульсу, при

якому початок починає руйнуватися (за раніше виконаним дослідженням

НсJ 35,1max = ):

,/38,4max

смmJV

качпр == (2)

де качm - маса качана, качm = 0,308 кг.

Раніше нами визначено [4], що швидкість ланцюга повинна бути в 2 рази

вище швидкості комбайна. Враховуючи інтенсифікацію процесу збирання і

можливість збільшення швидкості комбайна до 15 км/год, приймаємо

смVп /33,8= .

Величину сумарного результуючого вектора при ударі качана об стреперні

пластини можна визначити за теоремою косинусів:

,/39,12cos2 смVVVVV ппpппpp =⋅⋅⋅−+= α (3)

тут βα += 90 ,

де β - кут нахилу стреперних пластин до горизонту, приймаємо для

вітчизняних машин °= 33β .

Таким чином, сумарний ударний імпульс складе

./82,3308,039,12 сНmVJ качp =⋅=⋅= (4)

Задавшись рядом значень час удару, визначимо за виразом (1) величину

зовнішньої сили, що припадає на точку контакту (див. табл. 1, рис. 4). Вона

буде дорівнювати половині зовнішньої сили, яка виникає при ударі качана об

стриперні пластини.

Таблиця 1

Залежність сили удару качана об стреперні пластини від часу

Час удару, с Сила удару, Н Зусилля в точці контакту, Н 0,002 1908 954 0,004 954 477 0,006 636 318 0,008 477 238 0,010 382 191 0,012 318 159 0,014 273 136 0,016 238 119 0,018 212 106 0,020 191 95

В сучасних качановідокремлювальний апаратах відрив качана

здійснюється за рахунок удару качана і розтягування плодоніжки. Будь-яка

механічна дія пов'язана з деформацією качана. При його деформації виникають

сили, що руйнують зв'язок зерна зі стрижнем.

Рис. 4. Точка контакту качана з стреперними пластинами

З аналізу раніше виконаних робіт [5] нам відомі деякі ознаки руйнування

качана. Зовнішня сила зовнF , яка діє на зерно, викликає таку ж дію на зерно

сили вишF , яка виштовхує його з качана (рис. 5).

Рис. 5. Дія зовнішньої і виштовхувальної сил на зерно качана

Виділимо з качана один поперечний ряд зерен (рис. 6, а) і, розглядаючи

зерно як клин, розкладемо діючу силу зовнF на дві складові, що

перпендикулярні граням клина - пзовнF [7].

Виштовхувальна сила вишF , яка діє на сусіднє зерно, як клин, напрямлена в

бік протилежний центру і виштовхується з качана, а також дорівнює силі зовнF ,

а також дорівнює вишзовн FF = (рис. 6, б). Для цього перенесемо вектор сили

пзовнF по лінії його дії в точку перетину з центральною віссю сусіднього клина і

Точка контакту

Fзовн

Fвиш

розкладемо його на напрям, який перпендикулярний грані сусіднього клина, і

на напрямок його центральної осі.

Тут трикутники АВС і СDF (рис. 6, в) рівні за принципом рівності сторін

АС=СD і кутів, прилеглих до них

− 290; КЗ

КЗαα .

Зусилля, що діє на бічну грань клина пзовнF , визначається з трикутника:

−⋅⋅⋅++= 290cos2222

КЗзовн

пзовнзовн

пзовн

пзовн FFFFF α

, (5)

де КЗα - кут клиноподібності зерна.

Теоретично кут клиноподібності зерна можна визначити по числу рядів

зерен n, які розташовані вздовж качана, при чому – це завжди парне число.

а б

в д

г

Рис. 6. Визначення зусилля для виділення зерна кукурудзи з качана

Таким чином

nКЗ360

=α . (6)

Вирішуючи рівняння (5) відносно пзовнF , отримаємо:

2sin2 КЗ

зовнпзовн

FF α= . (7)

Сила тертя, що виникає на бічних гранях клина (див. рис. 6, б),

визначається

.

2sin2 КЗ

зовнпзовнтер

fFfFFα⋅

=⋅= (8)

Зерна видавлюються з качана клинами, що складаються з ряду сусідніх

(суміжних в ряді) зерен, тобто необхідно, щоб [5, 6]

ϕα 2>⋅ КЗn , (9)

де n - число зерен у клині, що видавлюється.

Це нерівність уже справедлива при n=2.

Розглянемо умова рівноваги сил, діючих на клин при статичному

навантаженні (рис. 6, г) в проекції на вісь х, збігається з поздовжньою віссю

клина - напрямком його можливого пересування:

,2cos2 звКЗ

трвишx FFFF∑ −⋅⋅−= α (10)

де звF - міцність зв'язку зерна зі стрижнем, Н.

Умова розриву зв'язку зерна зі стрижнем для цього випадку має вид:

звКЗ

трвиш FFF +⋅⋅= 2cos2 α . (11)

З урахуванням того, що зовнвиш FF = , 2sin2 КЗ

зовнтр

fFFα⋅

= та ϕtgf = сила, яку

необхідно прикласти до зерна для руйнування зв'язку зерна зі стрижнем,

становитиме:

.

2sin2sin

2sin1 ϕα

α

αϕ tg

FFабо

tgF

FКЗ

КЗзв

зовн

КЗ

звзовн

−

⋅=

−= . (12)

Динамічний вплив характеризується наявністю прискорення качана в

момент його контакту з тілом, яке надає йому прискорення. Привести умову

рівноваги сил при динамічному впливі можна, додавши в розглянуту умову (10)

силу інерції, що виникає при ударі качана.

Якщо розглядати зерна качана як точки єдиного суцільного тіла, то

прискорення, які отримані ними в момент удару, матимуть однакову величину,

а їх вектори будуть паралельні вектору прискорення в точці навантаження.

Будемо характеризувати стан зерна кутовою координатою χ , яка відлічується

по осі х (рис. 6, д).

χα cos2cos2 ⋅+−⋅⋅−=∑ інзвКЗ

трвишx FFFFF . (13)

Умова розриву зв'язку та виділення зерна:

звКЗ

КЗзовн

інзовн FfF

FF +⋅⋅

≥⋅+

2sin2cos

cosα

αχ . (14)

Підставляючи значення

( ) ,t

vVтF качін ∆

−⋅= (15)

де качт - маса качана, кг;

vV , - відповідно швидкість качана до і після удару, м/с;

t∆ - час удару, с;

Враховуючи вищевикладене, одержимо

( )

2sin1

cos

КЗ

качзв

зовн tgt

vVтF

F

αϕ

χ

−

∆−⋅

−= , (16)

або

( )

ϕα

αχα

tgt

vVтFF

КЗ

КЗкачКЗзв

зовн−

⋅⋅∆

−⋅−⋅

=

2sin

2sincos2sin. (16')

Вирази (16 та 16') можуть бути використані і при виділенні зерна в вигляді

клинів (5 зерен).

Проте в цьому випадку кути χ і 2КЗα необхідно розглядати з точки зору

кутів клина, а звF - як векторну суму сил зв'язку зерен клина зі стрижнем, а

саме виділення клинів відбуватиметься в площинах, які паралельні діючій силі.

Приймемо наступні вихідні дані: °= 23КЗα , °== 462 КЗαχ ,

кгткач 308,0= , сила зв'язку зерна зі стрижнем (неізольованого) НFзв 24= ,

коефіцієнт тертя зерна по зерну при вологості 18-50% f = 0,48 [3, 5].

( )HFзовн 57

48,05,11sin

5,11sin46cos010,0

05308,05,11sin24=

−

⋅⋅−⋅

−⋅= . (17)

Висновки. Зусилля, що припадає на одну пластину, становить 191 Н > 57

Н. Це свідчить про те, що при ударі качана об обидві пластини, як мінімум,

повинні виділитися з качана 3 клина по 3 зерна у кожному. При цьому для

скорочення втрат необхідно зменшувати величину ударного імпульсу. Це

досягається шляхом використання в конструкції стреперних пластин

демпфуючих матеріалів у зоні удару (відокремлення), коли частина удару

гаситься поверхнею стреперних пластин. Одним із варіантів зменшення

величини ударного імпульсу є зменшення часу удару шляхом зміни кута

нахилу стреперних пластин в повздовжньому та поперечному напрямках.

Література:

1. Anazodo U.G.N., Wall G.L., Norris E.R. Com physical and mechanical

properties as related to combine cylinder performance // Canadian agricultural

engineering, 1981, №23. - p . 23-30. (англ.).

2. Александров В.Г. Морфология зерна и строение эндосперма различных

форм кукурузы Zea mays L. I В.Г. Александров, М.С. Яковлев // Бот. журн.

СССР, 1935. — Т. 20, № 2. — С. 135—139.

3. Анисимова Л.И. Технологические свойства кукурузы, определяющие

процесс початкоотделения / Анисимова Л.И. // Сб. науч. тр. М.: ВИСХОМ, -

1963.-Вып. 41. - С.3-15.

4. Бондаренко А.В. Приоритетные направления развитий техники и

технологий в сельском хозяйстве / Бондаренко А.В., Иванов Г.А., Селезнев

Ю.В., Завирюха Н.В. // Труды Таврийского государственного университета,

Выпуск 8, Том 7 Научное профильное издание. — Мелитополь, 2008. — С.

16—20.

5. Войцехович В.В. Статическое и динамическое воздействие сил на

обмолачиваемый початок кукурузы // Результаты исследования

технологических процессов и рабочих органов сельскохозяйственных машин:

Труды / Кишинев: СХИ. – Кишинев, 1972. – Т. 64. – С. 105–110.

6. Гольдшмідт О.В. Аналіз технічного процесу відокремлення качанів

кукурудзи / Гольдшмідт О.В., Бондаренко О.В. // Вісник аграрної науки

причорномор’я. – Вип. 4(18). Т.2. Миколаїв, 2002. - с.239-243.

7. Труфляк Е.В. Изучение механического повреждения початка кукурузы

при его отрыве в кукурузоуборочной жатке / Е.В. Труфляк, В.С. Кравченко,

И.А. Гончарова // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. —

Краснодар: КубГАУ, 2008. — № 04(38). — 11 с.