Совершенствование технологии воздушно-решетной очистки зерноуборочного комбайна СК-5 "Нива" путем улучшения приводного механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование технологии воздушно-решетной очистки зерноуборочного комбайна СК-5 «Нива» путем улучшения приводного механизма

Специальность 05.20.01 ? Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Исоев Умар Пирназарович

Саратов 2006

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Правительство Республики Таджикистан, России и многих стран ближнего и дальнего зарубежья решающую роль в повышении уровня сельскохозяйственного производства отводит научно-техническому прогрессу и техническому перевооружении сельхозпредприятий.

Эти требование обусловливаются тем, что в настоящее время потребность населения стран в сельскохозяйственных продуктах постоянно растет, в том числе в зерновых и зернобобовых культурах.

Президент Республики Таджикистан, например, в своем выступлении на совещании работников агропромышленного комплекса 12 февраля 2000 года поставил задачи дальнейшей интенсификации отрасли, повышение роли науки и техники в развитии сельскохозяйственного производства, увеличение производства и заготовки пшеницы к 2010 году до 1 млн. тонн, что на - 20 % выше достигнутого уровня.

Механизмы очистки зерна оказывают существенное влияние на его потери и травмирование широко применяются в различных технологических машинах и в частности: зерноуборочных комбайнах, зерноочистительных машинах, триерах, специальных семяочистительных машинах, аппаратах для выделения семян подсолнечника. Во многих машинах для выполнения технологического процесса требуется управлять кинематическими параметрами, при этом получая переменные скоростные характеристики рабочего органа и передаточные отношения между подвижными звеньями.

С помощи существующих приводов механизма очистки не представляется возможным получение переменных скоростных характеристик требуемых для выполнения технологического процесса очистки.

Использование кривошипно-кулисно-шатунного привода механизма очистки с вращающейся кулисой дает возможность получить переменные скоростные характеристики, что позволяет снизить потери зерна за очисткой зерноуборочного комбайна.

Теоретическое исследование кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки зерноуборочного комбайна является важной и актуальной задачей, имеющей перспективу практического применения в комбайнах СК-5 «Нива», которые составляют до 70 % парка комбайнов Таджикской республики.

Цель работы - снижение потерь зерна при уборке зерновых колосовых культур за счет применения кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки комбайна.

Объект исследования - технологический процесс работы воздушно - решетных очистки в зерноуборочном комбайне СК-5 «Нива» с усовершенствованным механизмом привода.

Предмет исследования. Приводной кривошипно-кулисно-шатунный механизм решетной очистки зерноуборочного комбайна СК-5 «Нива».

Научная новизна. Предложена новая конструкция привода механизма очистки зерноуборочного комбайна.

Аналитически получены основные кинематические соотношения предложенной конструкции.

Выведены обобщенные аналитические выражения для определения переменного передаточного числа и приведенного момента инерции водила кулисного механизма.

Получены выражения для определения динамических усилий в звеньях предложенного механизма.

Получена система нелинейных дифференциальных уравнений в виде уравнений Лагранжа II-го рода и ее решение с помощью ЭВМ.

Методом планирования факторного эксперимента получена математическая модель исследуемого процесса, выявлено влияние кинематических параметров на режим работы решета. Обоснованы оптимальные конструктивно-режимные параметры предложенного механизма привода очистки зерноуборочного комбайна.

Научные положения выносимые на защиту:

- Теоретическое обоснование конструктивно-технологический схемы привода решетной очистки зерноуборочного комбайна СК-5 кривошипно-кулисно-шатунным механизмом;

- Аналитические выражения для определения передаточного числа и момента инерции водила кулисного механизма и динамические усилий в звенья приводного механизма;

- результаты теоретической и экспериментальной оптимизации конструктивных и режимных параметров.

Практическая ценность - Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований, положены в основу при разработке новой конструкции привода механизма очистки зерноуборочного комбайна. Разработаны рабочие чертежи и схемы механизма очистки с новым приводом. Предложена методика расчета основных конструктивных, режимных и энергетических параметров его работы.

Реализация результатов - Предлагаемый механизм привода очистки был установлен на зерноуборочном комбайне СК-5 «Нива», прошел испытания на Бохтарской государственной сортоиспытательной станции Хатлонской области республики Таджикистан и рекомендован для внедрения сельхозпредприятиям имеющим зерноуборочные комбайны СК-5 «Нива».

Апробация. Результаты исследований доложены и обсуждены:

на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Таджикского аграрного университета. - Душанбе, 1989-2006 гг.

на международных конференциях «Механика-94», «Механика-97» и «Вибротехника-98» г. Вильнюс.

на республиканских конференциях в честь 1100-летие государства «Саманидов» и «Связь науки с производством» г. Душанбе в 1999 и 2001 гг.

на научно - практический конференции СГАУ 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ общим объемом 0,97 п. л, из них лично соискателю принадлежит 0,44 п. л.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографического списка и приложений.

2. Содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность темы и совершенствование технологического процесса воздушно-решетной очистки в зерноуборочном комбайне СК-5 «Нива».

Первый раздел «Типы воздушно-решетных очисток».

Приведен литературный обзор и патентный поиск механизмов очисток зерноуборочных машин, триеров и специальных семяочистительных машин. Также рассмотрены многочисленные исследование ученых СНГ и дальнего Зарубежья по изучаемому вопросу.

Проведенный анализ и поставленная цель позволили сформулировать следующие задачи исследования:

- провести анализ состояния вопроса и патентный поиск исследований воздушно-решетного очисток, и сформулировать цель и задачи исследований;

- теоретически обосновать основные кинематические и динамические параметры кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки;

- разработать программу и методику лабораторных и полевых исследований привода очистки комбайна с кривошипно-кулисно-шатунным механизмом;

- провести лабораторные исследования кривошипно-кулисно-шатунного механизма и определить его основные конструктивно-режимные параметры для очисток комбайна;

- провести полевые испытания предлагаемого механизма привода очистки и дать его экономическую оценку.

Второй раздел «Теоретическое исследование кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки зерноуборочного комбайна».

Предлагаемый механизм привода очистки с вращающейся кулисой состоит из ведущего звена, внутреннего и внешнего полуводил и ролика. Как видно из схемы привода (рисунок 1), кулиса шарнирно соединена с ведущим звеном, приводящим механизм в движение. С помощью предлагаемого механизма представляется возможным получить переменные скоростные характеристики ролика.

Рисунок 1. Кривошипно-кулисный механизм привода очистки свращающейся кулисой: 1 - кривошип; 2 - кулиса; 3 - ползун; 4 - направляющая; 5 - ролик

В этом механизме длина водила меняется в зависимости от угла поворота кулисы.

Принцип работы механизма привода очистки заключается в следующем: при вращении кривошипа 1 кулиса 2, ползун 3 и направляющая 4 приводит в движение ролик 5. Ролик 5 (рисунок 2) вращается вместе с кулисой ползуна и направляющей 2,3,4 вокруг точки О₂, и через шатун 7 и двуплечий рычаг 8, преобразуется в колебательное движение грохот 9 и нижнее решета 10.

Рисунок 2. Схема очистки с кривошипно-кулисно-шатунным приводом: 1 -кривошип; 2 - кулиса; 3 - ползун; 4- направляющая; 5 - ролик; 6 - обойма; 7 - шатун; 8 - двуплечий рычаг; 9 - грохот; 10 - нижное решето

Посредством предлагаемого механизма скорость и ускорение центра ролика получаем в виде нескольких переменных в зависимости от угла поворота водила и радиуса кривизны.

Вышеуказанная новизна способствует увеличению кинематических возможностей ролика за счет переменных скоростных характеристик.

На схеме кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки (рисунок 3) обозначим длину водила О₂В = с, длину направляющего звена АВ = l радиус О₂А = с - l, радиус ведущего звена О₁А = R, эксцентриситет 0₁0₂ = а, угол между радиусами водила и кривизны б, углы поворота кулисной пары ш и ведущего звена ц₁.

Рисунок 3. Кинематическая схема предлагаемого механизма привода очистки

Соотношение углов ц и б может быть представлено выражением:

Ш = ц ± б. (1)

Радиус водила определяется по формуле:

. (2)

Кинематический анализ механизма привода очистки с вращающейся кулисой позволяет получить данные для расчета кинематических параметров.

Безразмерный аналог уравнения (2) имеет вид:

 (3)

Безразмерные параметры соответственно равны:

S = с/R, 0 ? а/R = p ? 1, l / R = q > 1.

Графики изменения длины водила построены согласно уравнению (3), и показаны на рис.4. При этом безразмерные параметры р и q варьировались в пределах р = 0,1 до 0,9; q =1,5.

Рисунок 4. График изменения длины водила в зависимости от его угла поворота Ш - в радианах; S - в безразмерном аналоге

Анализ показывает что с увеличением значений р и q увеличивается значение безразмерной длины водила. Причем значение S увеличивается от 0° до 180°, а от 180° до 360° уменьшается.

Для определения переменного передаточного отношения предлагаемого механизма привода очистки воспользуемся следующими выражениями:

, . (4)

где щ_с, щ_н и щ₁ - соответственно угловые скорости ролика, водила и ведущего звена.

Угловая скорость водила, ролика и ведущего звена определяется следующими выражениями:

щ_н = dш/dt, щ_c = dц_c/dt, щ₁ = dц₁/dt, (5)

щ_н = х_в /с , щ_c = х_в /с , щ₁ = х_А /R . (6)

Линейные скорости точек А и В могут быть найдены следующим образом:

; . (7)

Безразмерные аналоги скоростей в координатной форме определяются выражениями:

(8)

Безразмерные аналоги ускорения в координатной форме определяются выражениями:

 (9)

K_A = X_A / R; K_1А = У_A / R;

K_В = X_В / R; K_1В = У_В / R .

Из выражений видно, что аналоги скоростей и ускорений являются переменными и меняются периодически в процессе одного оборота в зависимости от угла поворота водила.

Применение кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки зерноуборочного комбайна дает уменьшение скорости прямого хода и увеличение скорости обратного хода решета.

Такой кинематический режим практически исключает перемещение частиц сепарируемого вороха в сторону противоположную ходу технологического процесса, стабилизирует скорость продвижения вороха по решету, предотвращает его задержку и скапливание, обеспечивая постоянную толщину слоя, что способствует более полному просеву зерна и снижает его потери сходом в колосовой шнек и с половой в копнитель.

Основные параметры механизма характеризуется следующими величинами:

а - расстояние между центрами вращения;

R - радиус кривошипа.

Вышеприведенные параметры связаны между собой соотношением:

е ₁ = а/R ,

где е ₁ - относительная величина эксцентриситета.

С другой стороны относительная величина эксцентриситета может быть определена:

е ₁ = sinв , (10)

где в - угол поворота ведущего звена кривошипа.

При проектировании механизма с вращающейся кулисой рекомендуется принимать е ₁ ? 0,5

Разработанный механизм характеризуется следующими значениями параметров:

а = 0,036; R = 0,014; е ₁ = 0,2556.

Кривошипно-кулисно-шатунный механизм привода очистки можно рассматривать как механизм с переменным моментом инерции J = J(ц), ц - угол поворота ведущего звена (вала).

Уравнения движения такого привода с обобщенной координатой ц и с на основании уравнения Лагранжа второго рода имеют вид:

(11)

где Т - кинетическая энергия механизма; - частота вращения ведущего вала; - относительная скорость; Q _ц , Q _с - обобщенная сила.

Окончательно имеем систему нелинейных дифференциальных уравнений с обобщенными координатами

= bМ _пс+ сМ _вр.с

. (12)

Для решения дифференциальных уравнений применим метод Рунге-Кутта.

Рисунок 5. Графики скорости и ускорения механизма очистки

На основе численных результатов расчетов построены графики зависимости угла поворота водила ш, угловой скорости водила ш_н, радиуса кулисного водила с, и поступательной скорость ползуна с от изменения угла поворота ц₁ (рисунок 6).

Рисунок 6. График зависимости с и ш от угла поворота ведущего звена

Как видно из графиков (рисунок 6) с увеличением угла поворота ш водила, увеличивается угловая скорость и радиус водила и поступательная скорость ползуна.

Получена система нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка в квадратурах для привода механизма очистки.

Получены численные решения этих уравнений с помощью ЭВМ и построены соответствующие графики.

Третий раздел «Программа и методика исследования».

В этом разделе изложены программа и методика проведения экспериментальных исследований. Дано описание лабораторной установки и методика проведения лабораторных и лабораторно-полевых исследований зерноуборочного комбайна с кривошипно-кулисно-кулисным механизмом привода очистки, а также методика обработки опытных данных.

Программа исследований включала в себя следующее:

лабораторные исследования;

лабораторно-полевые испытания зерноуборочного комбайна с предлагаемым механизмом привода очистки.

Четвертый раздел « Результаты и анализ экспериментальных исследований «.

Для определения радиуса водила предлагаемого механизма использован метод планирования эксперимента. При проведении экспериментов факторы варьировались на трех уровнях (Х₁,Х₂,Х₃).

В табл. 1 приведены интервалы и уровни варьирования факторов.

Таблица 1 Интервалы и уровни варьирования факторов

Факторы	Уровень варьирования	Интервал варьирования
	-1,682	-1	0	1	1,682
(< 1) - относительная длина эксцентриситет (Х1)	0,164	0,3	0,5	1,7	0,836	0,2
(> 1) - относительная длина направляющей (Х2)	1,064	1,2	1,4	1,6	1,736	0,2
ц - угол поворота кривошипа, град.	-11	30	90	150	191	60

Одним из параметров определяющих скорости перемещения шатуна является радиус кулисного механизма, который как сказано выше за один оборот имеет различные значения.

Радиус кулисы определяется по формуле:

.

Как видно, радиус кулисного механизма зависит от радиуса кривошипа R , расстояния а, длины звена l и угла поворота кривошипа ц₁. Однако исследование механизма более удобно проводить в относительных единицах р = а/R, q = l/R, так как абсолютная длина звеньев а и l зависит от радиуса кривошипа при следующих условиях: а < R, l > R.

Для того, чтобы получить значения в относительных единицах, т.е. соотношение р и q при различных значениях угла поворота кривошипа ц₁ (степени влияния р, q и ц₁ на относительную величину радиуса кулисы S = с/R) строим интерполяционную математическую модель механизма.

В качестве факторов выступают независимые величины р, q и ц₁, а в качестве результата величина S. Для построения математической модели (уравнение регрессии) используем рототабельное планирование второго порядка, так как линейное приближение не обеспечивает нужной точности (5 %).

Интервалы и уровни варьирования факторов в кодированных значениях приведены в таблице 1.

Значение факторов в “звездных” точках (-1,682; +1,682) были найдены с помощью соотношений:

; ; .

Значение радиуса водила определялось по формуле:

. (13)

После обработки результатов по соответствующей методике было получено уравнение регрессии следующего вида:

. (14)

Для использования уравнения 14 в качестве расчетной формулы и интерпретации результатов после раскодирования получено следующее уравнение:

, (15)

где ц₁ - угол поворота кривошипа, град.

Подставляя значение, х₃ = 0 в уравнение 14 получим:

. (16)

График зависимости, построенный по уравнению 16 приведен на (рисунок 7).

Как видно из графиков для получения одного и того же радиуса кулисы увеличение расстоянии а приводит к незначительному уменьшению длины звена l. При этом полученные с помощью планиравания эксперимента основные размеры предлагаемого механизма увязывались с конструктивными размерами у серийного комбайна подвески решет и допустимым ходом решета очистки.

В 2005 году на Бохтарской государственной сортоиспытательной станции Хатлонской области республики Таджикистан были проведены лабораторно-полевые испытаний зерноуборочного комбайна с кривошипно-кулисно-шатунным механизмом привода очистки.

Рисунок 7. График зависимости Х₂ от Х₁

При сравнительных испытаниях модернизированного комбайна с серийным определялись потери зерна в полове, соломе и общие потери зерна за молотилкой в зависимости от подачи хлебной массы.

Общие потери зерна (рис. 8) за молотилкой модернизированного комбайна уменьшились с 0,82 % до 0,48 % .

Как видно из них, качественные показатели работы модернизированного комбайна с кривошипно-кулисно-шатунным приводом механизма очистки, выше, чем у серийного комбайна СК-5 «Нива».

Пятый раздел «Экономическая эффективность применения кривошипно-кулисно-шатунного механизма в приводе очистки зерноуборочного комбайна»

Определен годовой экономический эффект который на один комбайн за счет уменьшение потерь зерна молотилкой составляет 1123 руб.



Рисунок 8. Влияние подачи хлебной массы на общие потери зерна за молотилкой комбайна: 1 - модернизированный комбайн СК-5 «Нива»; 2 - серийный комбайн СК-5 «Нива»

кулисный шатунный привод очистка

Выводы

1. Анализ литературных источников и патентный поиск по приводам очистки зерноуборочных комбайнов показал, что механизм привода их очистки требует совершенствования, и применение в приводе очистки зерноуборочного комбайна кривошипно-кулисно-шатунного механизма может снизить потери зерна за комбайном.

2. Теоретические исследования кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки позволили: построить графики зависимостей основных кинематических параметров предлагаемого механизма (рис 6); получить приведенный момент инерции и кинетическую энергию предлагаемого механизма привода очистки зерноуборочного комбайна; получить уравнение движения исследуемого механизма в форме уравнений Лагранжа II-рода и их решение при помощи ЭВМ (выражение 11); получить уравнение относительного движения водила кривошипно-кулисного механизма и уравнение движения частиц зернового вороха на решете (выражение 12).

3. Лабораторные исследования кривошипно-кулисно-шатунного механизма привода очистки позволили: подтвердить работоспособность предлагаемого механизма и правильность полученных теоретических результатов; определить и получить графики изменения кинематических и динамических параметров; показать при сравнительном анализе теоретических и экспериментальных графиков, что средняя погрешность от теоретических результатов составляет 5…7 %;

4. По результатам полевых испытаний общие потери зерна за молотилкой модернизированного комбайна СК-5 «Нива» с кривошипно-кулисно-шатунным механизмом привода очистки уменьшились до 0,48 %, против 0,82 % у серийного.

5. Годовой экономический эффект от применения кривошипно-кулисно-шатунного механизмом привода очистки за счет снижения общих потерь зерна за молотилкой одного комбайна составил 1123 руб.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Исоев У.П. Разработка планетарных механизмов привода рабочих органов уборочных машин / Тилоев С., Исоев У.П., Гаффаров А. // Труды 1-ой международной конференции « MECHANICS - 94». Вильнюсский технический университет. Вильнюс, 1994. С. 315-320. (0,33/0,11 п.л.)

2. Исоев У.П. Применение планетарного механизма с кулисным водилом в технологических машинах / Тилоев С., Исоев У.П., Гаффаров А. // Сборник научных трудов факультета МСХ ТАУ. Таджикский аграрный университет. Душанбе, 1996. С. 112-116. (0,3/0,12п.л.)

3. Исоев У.П. Разработка и исследование планетарного механизма с составным кулисным водилом / Тилоев С., Исоев У.П., Ахмадов Б.Р // Труды технологического университета Таджикистана. Выпуск VII. Таджикский технологический университет. Душанбе,. 2001. С. 205-207. (0,12/0,05 п.л.)

4. Исоев У.П. Механизм привода очистки комбайна СК-5 «Нива» / Тилоев С., Исоев У.П. // Труды технологического университета Таджикистана. Выпуск VII. Таджикский технологический университет. Душанбе, 2001. С. 207-209. (0,12/0,06 п.л.)

5. Исоев У.П. Кинематика механизма очистки комбайна СК-5 / Исоев У.П. // Кишоварз. Научно-производственный журнал Таджикского аграрного университета. № 2. Душанбе, 2003. С. 27-29. (0,1/0,1 п.л.)

Размещено на Allbest.ru