2.2. Графоаналитический анализ работы очесывающего устройства с битером-отражателем

При переходе от однобарабанной конструкции очесывающего устройства к двухбарабанной с битером-отражателем следует отметить, что параметры битера-отражателя несомненно зависят от геометрии стеблестоя растений зерновых культур. Геометрические размеры как очесывающего барабана, так и битера-отражателя должны обеспечить нормальную, качественную работу устройства при высоком и низком стеблестое, полеглом и пониклом состоянии растений. Основными характеристиками геометрии стеблестоя являются максимальная (l_max) и минимальная (l_min) высота растений и зона расположения соцветий (Н) (рис. 2.8). Геометрические параметры растений и стеблестоя в целом являются случайно варьирующими величинами. Высота растений на одном и том же поле колеблется в широком диапазоне. Как показывают результаты измерений при изучении физико-механических свойств зерновых культур, зона расположения соцветий растений колеблется в пределах от 0,2 до 0,3 м. Принимая во внимание геометрию стеблестоя, а именно расположение соцветий, проведем графоаналитический анализ работы очесывающего устройства с битером-отражателем. Для этого представим очесывающее устройство в виде схемы (рис. 2.8) с указанием геометрических параметров и с соблюдением масштаба

Рис. 2.8. Схема очесывающего устройства: 1 – очесывающий барабан; 2 – битер-отражатель; 3 – кожух очесывающего барабана; 4 – кожух битера-отражателя; 5 – верхний кожух; 6 – сборник очесанного вороха.

Рассмотрим в начале необходимые условия для качественного очеса короткостебельных растений. При исследовании взаимодействия рабочих органов очесывающего барабана и битера-отражателя с растениями принимаем следующие допущения:

1 Продукты обмолота приобретают скорость равную окружной скорости очесывающих гребенок.

2 Ось битера-отражателя О₂ перемещается относительно оси очесывающего барабана О₁ по траектории окружности радиуса О₁О₂ .

3 Угол начала очесывания соцветий, при котором продукты обмолота будут направлены на активную зону битера-отражателя, принимаем равным π/4.

При этих допущениях самое высокое положение (обеспечивающее оптимальные условия очеса высокостебельных растений) битер-отражатель будет занимать, когда траектория очесанного зерна будет направлена по нормали к поверхности битера-отражателя в точку В. Если траектория зерна будет достигать поверхности битера-отражателя выше точки В (т.е. нормали АВ к поверхности окружности О₂r₂), то угол падения зерна к поверхности битера-отражателя будет острым и зерно отразится от него вверх и будет направлено в сборник. При достижении зерна поверхности битера-отражателя ниже точки В оно будет отражаться вниз на поверхность поля и создавать потери зерна осыпью. При движении зерна по нормали к поверхности (т.е. по касательной АВ) оно должно по законам механики отразиться по этой же нормали, но т.к. поверхность битера-отражателя вместе с закрепленными на ее поверхности рабочими органами вращается по часовой стрелке, то зерно в этом случае за счет мгновенных сил трения и действия рабочих органов будет направлено также вверх. Из этих рассуждений следует, что максимально верхнее положение битера-отражателя относительно оси очесывающего барабана О₁, обеспечивающее полноту сбора зерна с низкорослых растений, будет при расположении его центра О₂ на линии касательной АВ. Данное положение битера-отражателя определим углом (угол наклона к горизонту линии соединяющей центры О₁ и О₂). Из определим угол :

,

где – радиус очесывающего барабана по концам гребенок:

O₁O₂ – расстояние между центрами очесывающего барабана и битера-отражателя:

;

b – расстояние между битером-отражателем и очесывающим барабаном;

r₂ – радиус битера-отражателя по концам гребенок.

Таким образом, можно записать

;

отсюда следует

. (2.6)

Зная угол , определим угол

.

Подставив данное уравнение в выражение (2.6), получим

. (2.7)

Для очесывающего устройства при равных радиусах r₁ и r₂ угол – угол наклона к горизонту касательной к поверхности барабанов будет равен , потому как касательная к поверхностям барабанов будет параллельна линии соединяющей их центры О₁О₂.

Следующий этап расчета геометрических параметров – определение расстояния b между очесывающим барабаном и битером-отражателем. Для этого рассмотрим влияние кожуха битера-отражателя на технологический процесс работы, который будет зависеть от положения конечной точки С кожуха битера-отражателя. Как показали предыдущие исследования [34, 125], часть очесанного зерна попадает между битером-отражателем и его кожухом и выбрасывается по касательной к поверхности кожуха на очесывающий барабан.

Положение т. С будет определяться траекторией зерна после очеса соцветий очесывающим барабаном. Из предыдущих рассуждений направление полета зерна после очеса должно быть не ниже т. В. Соответственно положение т. С не выше т. В. В таком случае зерно, попавшее между битером-отражателем и его кожухом, будет направлено (рис. 2.9) по касательной к битеру-отражателю в т. В на поверхность очесывающего барабана (точку В в этом случае принимаем за крайнее верхнее положение т. С).

Представим возможные положения центра О₂ битера-отражателя относительно очесывающего барабана, его центра О₁, и влияние изменения расстояния b на процесс взаимодействия работы очесывающего барабана и битера-отражателя. Определяющим параметром при этом будет взаимное расположение т. В и т. В₁ (рис. 2.9), точки пересечения касательной АВ и горизонтали проходящей через ось О₁ очесывающего барабана.

Рис. 2.9. Схема для определения взаимного расположения битера-отражателя и очесывающего барабана.

В случае расположения т. В выше точки В₁ зерно по касательной B'V' беспрепятственно попадет в сборник зерна, но при этом появляется возможность повышения потерь зерна за счет увеличения зазора между барабанами. При расположении т. В в точке В' зерно по касательной BV также будет направлено в сборник зерна и очесывающий барабан будет содействовать транспортировке зерна. Если т. В находится ниже точки В₁, очесывающий барабан становится препятствием на пути движения зерна по касательной B"V" от битера-отражателя, что также может вызвать увеличение потерь.

Таким образом, оптимальным положением битера-отражателя по отношению к очесывающему барабану будем считать положение, при котором т. В совпадает с т. В₁. Данное утверждение очевидно будет справедливым и при уменьшении радиуса (r₂) битера-отражателя.

Для определения расстояния (b) между барабанами воспользуемся рисунком 2.10.

Рис. 2.10. Схема для определения расстояния между битером-отражателем и очесывающим барабаном.

Согласно принятых ранее допущений (АВ – касательная к поверхности очесывающего барабана, угол ) равнобедренный и прямоугольный, т.е. . Таким образом, из определим:

. (2.8)

Определив расстояние b согласно выражения (2.8), скорректируем выражения (2.6, 2.7) для определения углов и :

, (2.9)

. (2.10)

Полученные выражения (2.8-2.10) для определения соответственно b, справедливы для очесывающего устройства, в котором r₁ и r₂ имеют различные значения.

Определим угол при различных радиусах r₁ и r₂ (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схема для определения угла .

Проведя ряд дополнительных построений r₁ а (а – касательная к очесывающему барабану и битеру-отражателю), , , , , , .

Таким образом, имеем , , отсюда .

Из

,

откуда

. (2.11)

Подставив в уравнение выражения (2.10, 2.11), имеем

. (2.12)

Полученное выражение (2.12) для определения справедливо и для условия .

Значение угла , определенное из выражения (2.12) будет максимальным, т.к. при его увеличении путем поднятия оси битера-отражателя нарушаются, как было отмечено ранее, нормальные условия работы очесывающего устройства.

После определения оптимальных условий очеса короткостебельных растений (угла наклона общей касательной к горизонту; угла наклона прямой, соединяющей центры барабанов к горизонту; расстояние b между барабанами), рассмотрим необходимые условия для качественного очеса длинностебельных растений с учетом принятых допущений и полученных результатов исследований по очесу короткостебельных растений. Исходя из задач исследований, изучим влияние величины радиуса битера-отражателя и его кожуха на поступления высокорослых растений в зону очеса; взаимодействие пассивной зоны битера-отражателя (зоны трения соцветия о его кожух) и растений; изменение длины дуги активной зоны битера-отражателя при отражении очесанного вороха в сборник устройства. При прохождении растения под битером-отражателем (рис. 2.12) стебель изгибается и растение не выпрямившись, т.е. находясь под воздействием битера-отражателя, может попасть под действие очесывающего барабана. В этом случае стебель интенсивно прочесывается и в результате механического взаимодействия гребенок очесывающего барабана и стеблей растений происходит вымолот зерна из соцветий еще не попавших в зону очеса и обрыв верхней части растений с соцветиями, что приводит к дополнительным потерям свободным зерном и оборванными колосьями на поверхность поля.

Для проведения исследований по влиянию радиуса битера-отражателя и его расположения по высоте на оптимальные условия поступления длинностебельных растений в зону очеса, было проведено механическое моделирование движения растения в зону очеса относительно поверхности битера-отражателя при изменении его диаметра, угла наклона и величины погружения рабочих органов гребенки в стеблестое. Для этого была использована лабораторная установка очесывающего устройства (см. рис. 3.2). Диаметр битера-отражателя принимался равным 700, 450, 380, 310 мм. Угол наклона изменялся от 5 ^о до 25 ^о с интервалом 5^о. Погружение рабочих органов в стеблестой Н изменялось от 350 до 550 мм с интервалом 50 мм. Высота растения риса принималась равной 0,8 м, как среднее значение по замерам стеблестоя.

Рис. 2.12. Характерные зоны битера-отражателя.

Исследование проводилось в следующей последовательности. Растение риса своим основанием закреплялось зажимами в кассете. Устанавливались заданные параметры диаметра битера-отражателя, угла его наклона и величина погружения рабочих органов. Затем по ровной горизонтальной поверхности вручную перемещали кассету с закрепленным растением и наблюдали скольжение метелки по кожуху битера-отражателя до поступления ее в зону очеса. При этом за оптимальные условия поступления метелки в зону очеса принималось положение растения, когда метелка попадает в зону очеса раньше, чем изогнутый стебель коснется рабочих органов очесывающего барабана (изображено пунктиром) (рис. 2.12).

В результате проведенных исследований установлено, что изменение диаметра битера-отражателя и угла наклона на условия поступления высокорослых растений в зону очеса не влияют, а наибольшее влияние оказывает величина погружения рабочих органов в стеблестой. Чем больше величина погружения, тем большая вероятность перебивания стеблей растений рабочими органами очесывающего барабана прежде, чем их соцветия поступят в зону очеса. На основании исследований нормальные условия поступления высокорослых растений в зону очеса будут иметь место при величине погружения рабочих органов в стеблестой равной 350-450мм.

Как было установлено выше, диаметр битера-отражателя не влияет на поступление соцветий растений в зону очеса, но величина поверхности битера-отражателя в большой степени влияет на механическое воздействие на соцветие за счет трения при его скольжении по кожуху битера и особенно на отражение очесанного вороха в заданном направлении. При этом, если в первом случае неподвижный пассивный кожух битера-отражателя вызывает негативное явление – вымолачивает слабо связанные зерна и увеличивает тем самым потери зерна осыпью, то во втором – активная, вращающаяся поверхность битера-отражателя выполняет положительные функции: направляет очесанный ворох в сборник зерна.

Для того, чтобы определить оптимальную поверхность битера-отражателя проанализируем зависимость его активной и пассивной зон от изменения диаметра. Изменение размеров характерных зон определяли для битеров-отражателей с радиусами от 0,05 м до 0,5 м с интервалом варьирования 0,05 м.

На рис. 2.12 показаны изменения пассивной зоны битера-отра­жа­теля ВК_і от диаметра при постоянно заданной величине погружения рабочих органов в стеблестое 0,4 м. Откуда следует, что чем больше диаметр битера-отражателя, тем больший путь проходит соцветие по его пассивной зоне ВК_i и растения, прежде чем попасть в зону очеса, в большей степени изгибаются и деформируются, а зерна из соцветий за счет сил трения вымолачиваются и осыпаются. С уменьшением диаметра битера-отражателя число растений, попадающих беспрепятственно в зону очеса увеличивается, а негативное влияние кожуха битера на соцветия снижается. Длина дуги ВК_і пассивной зоны в зависимости от радиуса битера-отражателя изменяется по линейной закономерности (рис. 2.13, кривая 1) (табл. 2.1).

Основная функция битера-отражателя – это отражение очесанного вороха в заданном направлении и зависит она в основном от величины активной зоны. Изменения активной зоны ВN_i битера-отражателя от диаметра показаны на рисунках 2.12 и 2.13, кривая 2, из которых следует, что с уменьшением радиуса длина дуги ВN_i уменьшается, но закономерность изменения не линейная, как пассивной зоны, а квадратическая парабола.

Рис. 2.13. График зависимости радиуса битера-отражателя и его активной и пассивной зон: 1 – кривая зависимости от пассивной зоны; 2 – кривая зависимости от активной зоны.

Из графиков (рис. 2.13) следует, что с изменением радиуса битера-отражателя от 0,5 до 0,25 м длина дуги активной зоны L_акт изменилась на 0,1 м, а длина дуги пассивной зоны L_пас на 0,4 м, т.е. уменьшилась в четыре раза по сравнению с активной зоной. Дальнейшее уменьшение радиуса битера-отражателя от 0,25 до 0,05 м также ведет к изменению разницы длин дуг пассивной и активной зон, но с меньшей интенсивностью.

Для обоснования выбора оптимального соотношения пассивной и активной зон и соответствующего радиуса битера-отражателя проанализируем график (рис. 2.14) изменения отношения L_пас /L_акт от радиуса битера-отража­теля, который описывается нелинейной зависимостью имею­щей экстремальное значение.

Таблица 2.1

Изменение параметров битера-отражателя при уменьшении его радиуса

№ r2	rакт, м	rпас, м			Lакт	Lпас	Lпас/Lакт
1	0,50	0,55	45о	99о	0,392	0,950	2,42
2	0,45	0,50	48о	99о	0,377	0,864	2,29
3	0,40	0,45	50о	100о	0,349	0,785	2,25
4	0,35	0,40	53о	101о	0,324	0,705	2,16
5	0,30	0,35	57о	102о	0,298	0,623	2,09
6	0,25	0,30	62о	103о	0,270	0,539	2,00
7	0,20	0,25	67о	105о	0,234	0,458	1,96
8	0,15	0,20	72о	110о	0,188	0,380	2,02
9	0,10	0,15	77о	115о	0,134	0,301	2,25
10	0,05	0,10	81о	124о	0,071	0,222	3,13

Рис. 2.14. График зависимости отношения пассивной и активной зон от радиуса битера-отражателя.

Данное отношение рассмотрим при максимальном зазоре между битером-отражателем и его кожухом, равным 0,05 м. К полученной зависимости подобрано эмпирическое уравнение

,

где у – отношение пассивной части кожуха к активной зоне битера-отража­теля, L_пас/L_акт;

– радиус битера-отражателя r, м.

Исследование функции на экстремум на промежутке значений радиуса битера-отражателя от 0,1 м до 0,5 м с интервалом 0,05 м позволило установить оптимальное значение радиуса битера-отражателя r = 0,19 м.

Определим положение характерных концевых точек кожуха битера-отражателя C, D и соответствующих им углов (рис. 2.8, 2.15).

Рис. 2.15. Схема для определения положения характерных точек.

Данную задачу раньше решали экспериментальным путем [34, 125] который требует больших затрат труда. Изучив особенности двухбарабанного очесывающего устройства и его технологический процесс с помощью графоаналитического анализа, были определены характерные точки кожуха битера-отражателя.

Положение т. D (рис. 2.15) должно обеспечивать минимальное попадание продуктов обмолота при очесе в зазор между битером-отражателем и его кожухом. Определение положения т. D проведем с учетом внутреннего диаметра битера-отражателя. При очесе растений продукты обмолота не всегда могут попасть под воздействие гребенок битера-отражателя в активной его зоне. Рассмотрим один из этих крайних случаев, когда зерно после очеса будет направлено по касательной АК к битеру-отражателю. При этом зерно должно попасть в верхний кожух очесывающего устройства, минуя зазор между битером-отражателем и его кожухом, и отразившись от верхнего кожуха направится в сборник очесанного вороха. Таким образом, оптимальным положением т. D. и соответствующего значения угла будем считать точку пересечения касательной АК с окружностью, описывающей кожух битера-отражателя. В процессе работы битера-отражателя часть очесанного зернового вороха все-таки может попасть в зону между битером-отражателем и его кожухом за счет воздушного потока. В этом случае ворох будет двигаться от т. D к т. С, которая является точкой схода зерна с внутренней поверхности кожуха. Положение т. С должно обеспечить направление движения вороха после схода по нормали к очесывающему барабану СО₁. Если траектория движения вороха после схода с кожуха будет направлена ниже нормали СО₁ в зону очеса (в зону т. А) возможно его отражение на поверхность поля, что вызовет нежелательные потери зерна. Из анализа движения вороха по направлению выше нормали СО₁ следует, что положение т. С может приближаться к т. В или совпадать с ней. Для рассматривающего процесса это вполне объяснимо и способствует транспортировке очесанного вороха в сборник.

При высокорослом и равномерном стеблестое это положительно сказывается на работе очесывающего устройства, но при уборке полеглых и неравномерных хлебов кожух становится преградой на пути вороха, очесанного гребенками барабана ниже т. А. В результате проведенных исследований положение т. С для работы на полеглом стеблестое определяется точкой касания, касательной к кожуху битера-отражателя проходящей через центр О₁ очесывающего барабана при этом угол – min. Для прямостоящего стеблестоя с равномерной зоной расположения соцветий т. С переместиться в т. В при этом угол – max. Таким образом, положение т. С зависит от состояния стеблестоя растений.

Положение т. С определяется величиной угла , который находится из треугольников О₁О₂С и О₁О₂А

, (2.13)

где r₄ – радиус кожуха битера-отражателя.

Положение т. D определяется величиной угла , который находится из треугольников DО₂K и АО₂К

, (2.14)

где l – длина зуба очесывающей гребенки.

Исследованиями процесса очеса низкорослых и высокорослых растений, очесывающего устройства с битером-отражателем установлены:

1. Углы, характеризующие расположение битера-отражателя (при различных его радиусах).

2. Расстояние между битером-отражателем и очесывающим барабаном

3. Угол наклона общей касательной очесывающего барабана и битера-отражателя к горизонту.

4. Положение характерных точек кожуха битера-отражателя и соответствующих им углов.

5. Оптимальный радиус битера-отражателя r = 0,19 м.

В процессе работы очёсывающего устройства с битером-отражателем при уборке полёглых хлебов, часть не очесанных соцветий попадает на гребёнки битера-отражателя. Для того чтобы качественно очесать поступившие растения параметры гребёнок битера-отражателя должны соответствовать параметрам гребёнок очёсывающего барабана. Поэтому такие параметры как количество рядов гребёнок битера-отражателя, длина очёсывающего пальца его форма и угол наклона определятся согласно существующей теории определения параметров гребёнок очёсывающего барабана [125], приведенной в разделе (2.1).