В. Р. Петровец, Г. А. Райлян Теоретическое обоснование высот рифлей


с. 1 с. 2 с. 3
ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ

АКАДЕМИИ №2 2010




МЕХАНИЗАЦИЯ И Сельскохозяйственное

машиностроение

УДК 631.363


В.Р. Петровец, Г.А. Райлян
Теоретическое обоснование высот рифлей, диаметров

и угловой скорости вращения обмолачивающих барабанов

с эластичной рифленой поверхностью
(Поступила в редакцию 24.03.10)


В статье приведены теоретические исследования процесса обмолота лент льна двухбарабанным обмолачивающим устройством с эластичной рифленой поверхностью, позволившие получить математические зависимости для определения высот рифлей, диаметров барабанов и оптимальной скорости вращения обмолачивающих барабанов.

The article presents theoretical research into the process of flax bands threshing by two-cylinder threshing device with elastic grooved surface, which helped to obtain mathematical dependences for determination of heights of riffles, diameters of cylinders and optimal velocity of threshing cylinders rotation.


Введение

При работе льноподборщика-молотилки с двухбарабанным обмолачивающим устройством с эластичной рифленой поверхностью значительное влияние на качественные показатели оказывают параметры рабочих органов. Значимыми параметрами обмолачивающих барабанов являются высоты рифлей, диаметры и угловая скорость вращения барабанов.



Основная часть

На эффективность обмолота лент льна двухбарабанным обмолачивающим устройством с эластичной рифленой поверхностью [1, 2, 3, 4, 5] большое влияние оказывают геометрические параметры барабанов, а также интенсивность воздействия рифлей на ленту льна (рис. 1).



Рис. 1. Схема изгибающего воздействия рифлей на стебли льна.
Для обеспечения свободного движения барабанов должны соблюдаться следующие условия:

(1)

где Dм – диаметр барабанов по малым рифлям, м; Dб – диаметр барабанов по средним рифлям, м; Dс – диаметр барабанов по большим рифлям, м; Bо – межосевое расстояние между барабанами, м.


В противном случае будет меняться зазор между рифлями (при 0,5 (Dм + Dб) ≠ Dc) или исключается возможность установить барабаны (при 0,5 (Dм + Dб) > Bо или Dc > Bо).

Пусть большой рифли верхнего барабана располагается напротив малого рифли нижнего барабана (рис. 1), а лента льна со стороны комлевой части зажата в зажимном транспортере. Если кромка рифли воздействует на ленту льна с силой F, тогда сила трения Fтр рифлей по стеблям льна будет равна



(2)

где φ – угол трения рифлей о стебли льна, град.


Составляющую F1 от силы F, направленную вдоль стеблей льна и в противоположном направлении к силе Fтр, можно записать, как

(3)

В случае, если Fтр будет больше или равна силе F1, стебли льна не будут скользить по кромке рифли и произойдет их разрыв. Условие работы обмолачивающего устройства без обрыва стеблей льна имеет вид:

F1 > Fтр; (4)
(5)

или после преобразований получим



. (6)

Из треугольника О2CG можно записать



. (7)

Подставив значение из зависимости (7) в неравенство (6) и выразив относительно Dс, получим



. (8)

Из рис. 1, обозначив стрелу сегмента IG через h, геометрически выражаем диаметры барабанов по малым и большим рифлям через диаметр барабанов по средним следующим образом:


Dб = Dc + 2bи + 2h; (9)
Dм = Dc – 2bи – 2h. (10)
Решением простых геометрических фигур находим величину h:

(11)

Подставив величину h из выражения (11) в зависимости (9) и (10), после преобразования получим:



(12)

(13)

По полученным формулам (12) и (13) проведены расчеты, в результате которых получены графики (рис. 2).



а) б)
Рис. 2. Зависимость диаметров барабанов по большим и малым рифлям от Dc и γ1 при фиксированном значении

величины прогиба стеблей льна bи=2,0 мм: а) зависимость диаметра барабанов по малым рифлям;

б) зависимость диаметра барабанов по большим рифлям.
Высота малых рифлей hм должна быть достаточной для того, чтобы коробочка свободно помещалась в пазу между соседними рифлями (рис. 3), т.е. hм > 10 мм. Ширина паза между рифлями bп должна быть больше семенной коробочки льна, чтобы не происходило ее застревание. Из этих соображений, с учетом максимального диаметра коробочки dк = 10 мм [7] и необходимого минимального зазора, принимаем bп ≥ 12 мм. Так как количество пазов равно общему количеству рифлей, то диаметр барабанов по основаниям рифлей Dо (рис. 1) равен:

(14)

где – ширина рифлей по сечению, перпендикулярному оси барабана, мм;– ширина паза между рифлями по сечению, перпендикулярному оси барабана, мм; zо – общее количество рифлей на барабане.



Рис. 3. Схема к расчету высот рифлей.
Величины ширин рифлей и паза между ними по сечению, перпендикулярному оси барабана, определим по зависимостям:

(15)

(16)

При ширине паза bп = 14 мм, ширине рифли bp = 11 мм, угле наклона рифлей на барабане θб = 450 и общем количестве рифлей zо = 24 получаем Do ≈ 268 мм.

Высоту средних и больших рифлей определим из зависимостей (12) и (13), с учетом того, что Dм = Dо + 2hм:

(17)

(18)

По полученным формулам (14), (17) и (18) можно определить диаметр барабанов по основаниям рифлей и высоты средних и больших рифлей.

Встряхивание ленты льна происходит при схождении малых рифлей одного барабана с большими рифлями другого. Время между встряхиваниями определим по формуле:

(19)

где ω – угловая скорость вращения барабанов, с-1.


Из условия нетравмирования семян

(20)

где vб – скорости удара рифли по ленте, м/с; vкр – критическая скорость удара, при которой начинается разрушение семян (для различных сельскохозяйственных культур находится в пределах 17...28 м/с [6, 7]).


Наибольшую скорость удара по ленте льна имеют большие рифли

(21)

тогда


(22)

Графически зависимость (22) имеет вид (рис. 4).



Рис. 4. Зависимость угловой скорости вращения барабанов

от скорости удара больших рифлей и диаметра барабанов по ним.


Анализируя графическую зависимость (рис. 4) с учетом условия нетравмирования семян (20), можно сделать вывод, что при скорости удара больших рифлей менее 17 м/с угловая скорость вращения барабанов, в зависимости от диаметра барабанов по большим рифлям, должна быть менее 85–170 с-1.

Заключение

1. В результате наших исследований получены зависимости, по которым можно определить рациональные диаметры барабанов по основаниям рифлей и высоты средних и больших рифлей.

2. Установлено, что угловую скорость вращения барабанов, в зависимости от диаметра обмолачивающих барабанов по большим рифлям, наиболее рационально задавать не более 85–170 с-1.
ЛИТЕРАТУРА
1. Очесывающий аппарат подборщика-очесывателя лент льна: пат. №877 А 01 D 45/06 №20020239 / В.Р. Петровец, Н.В. Чайчиц, Г.А. Райлян; заявл. 15.08.02; опубл. 30.06.03.

2. Петровец, В.Р. Выбор рабочего органа для обмолота коробочек льна / В.Р. Петровец, Н.В. Чайчиц, Г.А. Райлян // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. №2.

3. Петровец, В.Р. Воздействие обмолачивающих барабанов на стебель льна / В.Р. Петровец, Н.В. Чайчиц, Г.А. Райлян // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. №5.

4. Петровец, В.Р. Обоснование выбора обмолачивающего аппарата льноподборщика-молотилки / В.Р. Петровец, Н.В. Чайчиц, Г.А. Райлян // Вестник БГСХА. 2004. №3. С. 87–89.

5. Русанов, А.И. Зависимость работы молотильно-сепарирующего устройства от диаметра барабана и длины подбарабанья / А.И. Русанов // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. 1971. №8. С. 16–18.

6. Пугачев, А.Н. Влияние повышения производительности молотильного аппарата на механические повреждения зерна пшеницы и ржи / А.Н. Пугачев // Челябин. ин-т механизации и электрификации сел. хоз-ва. 1973. Вып. 62. С. 19–24.

7. Хайлис, Г.А. Механика растительных материалов / Г.А. Хайлис. Киев: УААН, 1994. 332 с.

УДК 636.085.55+631.363.636


А.В. Червяков, С.В. Курзенков
Методика расчета вибрационного дозатора-смесителя

камерного типа при консервировании фуражного зерна
(Поступила в редакцию 14.04.10)


В статье предложена методика расчета вибрационного дозатора-смесителя камерного типа оборудования для консервирования зерна. Результаты статьи могут быть использованы при проектировании аналогов оборудования различной производительности и выбора эффективных режимов обработки зернового материала раствором консерванта.

The article presents methods of calculation of vibratory doser-mixer of chamber type for preserving grain. Results of the article can be used for designing analogous equipment with different productivity levels and the choice of efficient modes of grain treatment by preservative solution.



Введение

В УО БГСХА разработано оборудование для консервирования зерна с вибрационным рабочим органом. Детальное его описание и принцип работы изложены в источниках [1, 2].

Целью данной работы являлась разработка методики выбора и расчета основных элементов конструкции дозатора-смесителя с учетом качества консервирования и производительности оборудования.

Анализ источников и методы исследования

Представленная в статье методика основана на результатах теоретических и экспериментальных исследований, проведенных как в лабораторных, так и в производственных условиях и опубликованных в следующих источниках [3–5; 7; 8].

Теоретические исследования, изложенные в работе [3], позволили получить математическую модель движения рабочего органа при изменении конструктивных параметров оборудования и технологических параметров процесса. Анализ зависимостей, описывающих траектории перемещения произвольных точек рабочего органа, показал, что в пространстве эти точки движутся по замкнутым линиям, напоминающим одинаково ориентированные эллипсы. При этом вертикальная составляющая амплитуды колебаний равна нулю для точек, совпадающих с осью симметрии системы, и возрастает с увеличением расстояния от вертикальной оси.

Результаты этих исследований были использованы при изучении движения частицы зернового материала по колеблющейся поверхности распределительного устройства [4]. В ходе анализа полученных теоретических зависимостей было определено влияние режимов вибрационного процесса элементов устройства на динамику перераспределения материала в камере смешивания. Установлено, что при перемещении по поверхности распределительного устройства наблюдаются два вида движения материала – без отрыва и с отрывом от поверхности. Причем зоны такого движения зависят от конструктивных, массовых, инерционных параметров оборудования и режимов его работы. Это позволило сделать вывод, что эти факторы будут существенно влиять на прохождение материала через перфорированную поверхность распределительного устройства, а значит, и перераспределение его в камере смешивания.

Поэтому дальнейшие исследования [5] были направлены на детальное изучение факторов, влияющих на формирование потока материала в камере смешивания рабочего органа. Анализ теоретических зависимостей изучаемого процесса и конструктивных особенностей оборудования показал, что процесс формирования потока зернового материала в камере смешивания при его сепарации через перфорированную поверхность распределительного устройства зависит от: радиуса и высоты поднятия обечайки дозатора сыпучего компонента, соответственно rоб (м) и hоб (м); угловой скорости вращения вала рабочего органа – -1); массы колеблющейся части рабочего органа – Mр.о. (кг); массы дебаланса – m (кг); параметров, определяющих момент возмущающей силы – xц.м. (м), zд (м); безразмерной величины , характеризующей соотношение радиуса отверстия к радиусу частицы обрабатываемого материала. Такие же параметры, как радиус диска рабочего органа – rд (м), коэффициент перфорации решета распределительной поверхности – kпер, ее ширину – Hреш (м), а также безразмерный параметр 1, характеризующий трансформацию отверстия при вибрации, можно исключить из рассмотрения при изучении формирования потока зернового материала в камере смешивания.

Исследования по изучению формы и расположению отверстий на перфорированной части рабочего органа показали предпочтительность использования круглых отверстий, с центрами, распределенными по вершинам правильных треугольников. Такая форма и расположение отверстий обеспечивает наилучшую пропускную способность устройства и однородность его колеблющейся части [6].

В статье [7] было приведено обоснование параметров оборудования, исключенных из экспериментальных исследований. К таким параметрам были отнесены радиус диска, ширина и коэффициент перфорации распределительной поверхности рабочего органа. В этой работе предлагались теоретические подходы к определению закона движения потока зерна при сепарации его через перфорированную поверхность, было выдвинуто ряд рабочих гипотез, нуждающихся в экспериментальном подтверждении. Рассматривались следующие гипотезы:

– предлагаемая конструкция установки, выбранное расположение и форма отверстий перфорированной части рабочего органа обеспечивают равномерность кольцевого потока в камере смешивания;

– сепарация материала через перфорированную поверхность распределительного устройства зависит от перечисленных выше параметров и подчиняется нормальному закону распределения;

– эффективная зона просыпания зернового материала, а значит и радиус рабочего органа, которые могут быть определены исходя из вероятностного смысла процесса сепарации, изменяются в узких пределах при варьировании приведенных факторов и несущественно влияют на процесс обработки.

Целью дальнейшей работы, изложенной в источнике [8], было экспериментальное изучение процесса сепарации зернового материала через поверхность распределительного устройства рабочего органа, определение теоретических закономерностей данного процесса на основании статистических характеристик рассматриваемого процесса, подтверждение или опровержение гипотез, выдвинутых на основании теоретических предпосылок в ходе моделирования изучаемого процесса. Исследования базировались на результатах экспериментов. Оценка их производилась на основании статистических характеристик и пропускной способности предлагаемого оборудования Qз (кг/с). В данных экспериментах качественные показатели процесса обработки не исследовались.

Проведенные исследования позволили определить опорные границы выбранных факторов и подтвердить выдвинутые гипотезы. В ходе моделирования процесса сепарации материала в рабочем органе было установлено, что зона эффективного просыпания зернового материала изменяется в узких пределах при варьировании конструктивных параметров оборудования и технологических параметров процесса. Это позволило зафиксировать ширину перфорированной части распределительной поверхности на уровне 0,125 м.

На этапе поисковых экспериментов, изложенных в работе [9], ставилась цель определения границ варьирования выбранных факторов. Опыты проводили на лабораторной установке, повторяющей конструкцию модуля дозирования-смешивания, с диаметром корпуса камеры смешивания 0,6 м, с фиксированными диаметром обечайки 0,18 м и диаметром диска распределительного устройства 0,25 м. Основными показателями на этом этапе выбраны производительность установки Q (кг/с) и коэффициент неравномерности обработки зерна рабочим раствором kн.о.. Для проверки рабочей гипотезы о зависимости равномерности обработки зерна консервантом от его распределения по ширине кольцевого потока при постоянных параметрах распыла был использован показатель kнр, характеризующий неравномерность распределения материала в камере смешивания.

На этом этапе была обоснована целесообразность использования при планировании многофакторного эксперимента вместо фактических величин rч, rотв, xц.м, zд, Mр.o, mд, rоб, hоб безразмерных комплексов – =rотв/rч, д=zд/xц.м., M=mд/Mр.o, об=hоб/D, которые принимались в качестве параметров подобия конструкции предлагаемого устройства. В ходе обобщения результатов поисковых экспериментов были установлены границы варьирования этих факторов: угловая скорость вала –  [195; 320] с-1, безразмерный параметр, характеризующий соотношение высоты поднятия обечайки к ее диаметру – об [0,056; 0,22], безразмерный параметр, характеризующий соотношение радиуса отверстия к радиусу частицы обрабатываемого материала – [5,30; 6,70], безразмерный параметр, характеризующий отношение массы дебаланса к массе колеблющейся части рабочего органа – M[0,0014; 0,0071], безразмерный параметр, характеризующий расположение дебаланса, относительно центра масс колеблющейся части системы – d[1,41; 1,88].

Следующий этап экспериментальных исследований сводился к оптимизации конструктивных параметров модуля дозирования-смешивания и технологических параметров процесса консервирования зерна и к определению рациональных параметров изучаемого процесса. Результатами этих исследований являлись:



  1. математические модели влияния исследуемых факторов в диапазонах их изменения

на производительность установки



Q=0,034 – 0,000072 – 23412,6M2 + 1,73д2 + 0,019об + 0,0013 + 1,715M – 0,0248д

и неравномерность обработки зерна консервантом



kн.о= –0,0463– 0,771об+1,536+55,895M+ 0,00012–0,1242+ 0,231д2–0,085обMд.

  1. зависимость неравномерности обработки зерна раствором консерванта от распределения его в камере смешивания

kн.о=0,5 kн.р2+0,509 kн.р;


  1. рациональные конструктивные параметры рабочего органа предлагаемой установки и технологические параметры процесса: =206,4 с-1, hоб=0,04 м, rотв=0,01 м, mд=0,061 кг, zд=0,12 м, при которых производительность установки достигает свыше 15000 кг/ч консервированного зерна с качественными показателями, удовлетворяющими агротехническим требованиям (kн.о=0,1).

Приведенные выше результаты исследований легли в основу методики расчета и проектирования установок для консервирования зерна с рабочими органами предлагаемой конструкции.

Основная часть

Для обеспечения устойчивости процесса нанесения жидких растворов консервантов на зерно с гарантированным качеством получаемого продукта, эффективности подбора оборудования и его режимов работы необходимо иметь возможность определять параметры процесса на оптимальном или наиболее рациональном уровне в зависимости от производительности оборудования и вида зернового сырья.

С этой целью была разработана методика расчета предлагаемого рабочего органа, основанная на решении компромиссной задачи:

kн.о= – 0,0463 – 0,771об+1,536+55,895M+ 0,00012–0,1242+ 0,231д2–0,085обMд min
(1)
Исходными данными при расчете являлись: вид зернового материала, агротехнические требования к консервированому зерну и производительность оборудования по конечному продукту Qп (кг/с).

Вид зерна при моделировании изучаемого процесса характеризовался эквивалентным радиусом зерновки rч (м) и объемной массой зерна –з.м (кг/м3), которые в свою очередь находились по стандартным методикам. На основании производительности оборудования по конечному продукту устанавливалась подача зернового материала и расчитывалась подача консерванта. Так как согласно агротехническим требованиям массовая доля консерванта в общем объеме конечного продукта незначительна и не превосходит 5-процентный уровень ошибки по подаче зернового материала, то можно принять Qз= Qп (кг/с). Тогда подача раствора консерванта расчитывается по формуле:



(2)

где Qкy – удельный расход консерванта согласно рекомендациям производителя, (л/т).


Например, при производительности оборудования 8750 кг/ч секундная подача материала составляет 2,43 кг/с. Руководствуясь нормами расхода (согласно рекомендациям производителя), на основании формулы (2) определяем подачу консерванта. Так, при норме расхода раствора консерванта 10 л/т его подача должна составлять:

Подача зернового материала и рабочего раствора консерванта в камеру смешивания должна быть синхронизирована. Это обеспечивается системой автоматики, внедренной в предлагаемое оборудование. При этом необходимая подача раствора консерванта устанавливается дозатором дросельного типа с последующей проверкой мерным цилиндром в режиме «настройка».



Для синхронизации подачи зернового материала в базовом оборудовании, обеспечения качественного процесса смешивания рабочего раствора и зернового материала с учетом изменения основных технологических параметров в указанных диапазонах (угловой скорости [195; 257,5] c-1, высоты поднятия обечайки hоб[0,01; 0,04] м, при использовании сменных дебалансов массы mд[0,02; 0,06] кг) была разработана номограмма, показанная на рис. 1. Под базовым понимается оборудование с диаметром обечайки Dоб=0,18 м, радиусом диска распределительного устройства rд=0,125 м, отверстиями радиуса rотв=0,01 м, диаметром камеры смешивания Dк.с.=0,5 м и коэффициентом перфорации kпер=0,47, массой рабочего органа Mр.о.=14 кг, подвеской колеблющейся части системы, располагающейся от центра масс на расстоянии хцм=0,085, а от дебаланса на расстоянии zд=0,12 м. Данная номограмма наглядно показывает наиболее рациональные режимы обработки зерна. Из ее анализа видно, что наиболее эффективная обработка зернового материала осуществляется с производительностью от 12000 кг/ч до 15000 кг/ч (рис. 1). При этом коэффициент неравномерности обработки kн.о будет варьировать от 0,045 до 0,08.

Из номограммы видно, что для обеспечения, например, производительности 14000 кг/ч при неравномерности обработки конечного продукта до 6% необходимо зафиксировать угловую скорость вращения вала на уровне 214 с-1, высоту поднятия обечайки 0,04 м и массу дебаланса 0,038 кг.



Рис. 1. Номограмма постановки оборудования

на заданный режим обработки.
Для создания аналогов оборудования с более широким диапазоном варьирования производительности и заведомо прогнозируемым качеством обработки нами предлагаются номограммы определения безразмерных параметров (рис. 2), выступающих в изучаемом процессе в качестве параметров подобия. Данные номограммы составлены на основании решения задачи (1), а их адекватность проверена экспериментально.

Исходя из теории подобия, создание идентичных условий протекания процесса при изменении конструктивных параметров может быть обеспечено лишь подобием конструкции, которая определяется соответствующими параметрами. В предлагаемой конструкции модуля дозирования-смешивания такими параметрами выступали: =rотв/rч, д=zд/xц.м., M=mд/Mр.o, об=hоб/D, сущность которых описана выше.

Анализ решения задачи (1) показал, что для обеспечения производительности от 7500 до 10250 кг/ч и неравномерности обработки от 10 до 17% (наилучшие качественные показатели, которые могут быть достигнуты) значения угловой скорости вращения вала и параметров д, M могут быть зафиксированы =237 c-1, д=1,41, M=0,0014 вследствие незначительного влияния на количественно-качественные показатели изучаемого процесса. Для определения же рациональных параметров об и необходимо воспользоваться номограммой (рис. 2a). Например, при производительности 8750 кг/ч соотношение высоты поднятия обечайки к ее диаметру должно быть равно об=0,145, а радиус отверстий перфорированной части распределительной поверхности в соотношении с эквивалентным радиусом обрабатываемого материала – =5,45. При этом неравномерность обработки составит 13,2%.

В случае изменения подачи от 10250 до 12750 кг/ч целесообразно зафиксировать параметр об на уровне об=0,222, а д, M оставить равными соответственно 1,41 и 0,0014. Выбор значений параметров и при определении качественных показателей процесса осуществляется на основании номограммы (рис. 2б). Так, для обеспечения производительности оборудования 11250 кг/ч с неравномерностью обработки до 8,1% необходимо установить угловую скорость вращения вала 227 с-1 и обеспечить соотношение радиусов отверстий перфорированной части распределительной поверхности к эквивалентному радиусу частицы материала 5,99.

Повышение производительности с 12750 до 15250 может быть обеспечено варьированием и М согласно номограмме (рис. 2в), при фиксированных параметрах об=0,222, =6,7, д=1,41. Такие режимы обработки обеспечат изменение неравномерности обработки в пределах от 3,2 до 10%.

Рис. 2. Номограммы определения параметров процесса при изменении производительности оборудования:

а) от 7500 до10250 кг/ч; б) от 10500 до12500 кг/ч; в) от 12750 до 15250 кг/ч.
Переход к фактическим величинам на основании безразмерных комплексов может быть осуществлен по формулам:

hоб=обDоб (высота поднятия обечайки); (3)

rотв = rч (радиус отверстий); (4)



с. 1 с. 2 с. 3

скачать файл

Смотрите также: