Обоснование функциональной схемы комбайна и расчет основных параметров его рабочих органов

Обоснование функциональной схемы комбайна и расчет основных параметров его рабочих органов

 

Обоснование функциональной схемы комбайна

 

Стебли в процессе движения комбайна по полю захватываются  граблинами мотовила, срезаются режущим аппаратом и затем поступают к шнеку жатки.

Шнек спиралями правого и  левого направления подает срезанные  стебли к центру жатки. Пальчиковый механизм шнека захватывает срезанную массу и направляет её в окно жатки, из которого масса отбирается специальным битером и подаётся в наклонную камеру.

Далее цепочно-планчатым транспортёром хлебная масса подаётся непосредственно в молотильный аппарат. Здесь она обмолачивается с выделением большей части зерна. Соломистая фракция, содержащая, после обмолота часть зерна, на выходе из молотильного аппарата под острым углом отражается отбойным битером на сепаратор вороха соломотряса. Здесь она разделяется на две фракции: соломы и зернового вороха. Вторая фракция подаётся на транспортную доску и вместе с зерновым ворохом, выделенным в молотильном аппарате, поступает в сепаратор зернового вороха – очистку.

В процессе движения вороха по решётам  очистки, обдуваемым вентилятором, зерно  отделяется от соломистых примесей. Далее оно поступает по скатной доске нижнего решётного стана в зерновой шнек и транспортируется элеватором в автомобили или прицепы поворотным выгрузным шнеком.

Необмолоченные колоски с примесью свободного зерна и половы, сходящие в колосовой шнек с нижнего решета и удлинителя верхнего решета, перемещаются шнеком и элеватором в домолачивающее устройство.

Соломистые сходы очистки  воздушным потоком и возвратно-поступательным движением жалюзийных решёт выводятся на лоток половонабивателя, который подаёт их в камеру копнителя или в шнек половоотборщика – измельчителя.

 

Расчет загрузки комбайна, выбор ширины захвата жатки

 

Рабочая ширина захвата  жатки определяется пропускной способностью q молотилки комбайна, его средней рабочей скоростью V_{м ср}, средней урожайностью убираемой культуры Q и соотношением между зерном и соломой в хлебной массе (З : С). Для обеспечения максимальной загрузки молотилки ширина захвата жатки (В) должна быть равна:

B= ,       (1)

где B — ширина захвата жатки, м;

g — пропускная способность молотилки  комбайна, ;

Q — средняя урожайность убираемой  культуры, ;

V_{м ср} — средняя рабочая скорость комбайна, ;

n — коэффициент, определяющий содержание зерна в хлебной массе, определяется:

n= ,        (2)

При З : С=1:1,5  n= =0,4.

Так, при средней урожайности Q=0,4 (40 ), 3:C=1:1,5 (n=0,4), средней скорости машины V_{м ср}= 1,3 и пропускной способности молотилки q = 7 необходимый захват жатки:

B= =5,4.

Окончательно ширину захвата жатки выбирают из рекомендованного ГОСТ ряда:

3,2; 4,1; 5; 6; 7; 10;12; 15 м.

Принимаем ближайшее  большее значение В=6 м.

Значение урожайности  при расчетах принимаем в пределах 0,2-0,6 .

Зная наибольшую и  наименьшую урожайность Q_max и Q_min, определяем необходимый диапазон изменения рабочих скоростей движения комбайна:

V_{м min}= , V_{м max}        (3)

V_{м max} =0,78 ,

V_{м max} =2,33 .

 

Следовательно при соотношении  зерна к соломе З:С=1:1.5 принимаем  ширину захвата жатки В=6 м. При  изменении урожайности от 0.2 до 0.6 , диапазон скоростей меняется от 0,78 до 2,33 .

 

Выбор типа режущего аппарата и расчет режима его работы

 

Режущий аппарат жатки  должен обеспечивать чистый срез стеблей  зерновых культур, как прямостоящих, так и полеглых на заданной высоте среза и скорости машины. Для этого режущий аппарат должен иметь определенные геометрические и кинематические параметры. При конструировании режущих аппаратов зернокомбайнов используются, как правило, стандартные элементы конструкции (пальцы, сегменты, спинка ножа, прижимные лапки и др.). Задача заключается в правильном выборе кинематического режима работы режущего аппарата и в проверке соответствия геометрических параметров выбранных элементов конструкции заданным условиям работы.

Исходными данными для расчета  режущего аппарата являются максимальная скорость движения машины V_max и минимальная высота среза стеблей H_{x min}. В процессе расчета выбирают стандартные элементы и определяют необходимые значения частоты вращения кривошипа n, подачи h, величины отгибов стеблей и проверяют соответствие условиям резания угол наклона лезвия выбранного сегмента. Практикой установлено, что для режущих аппаратов зерноуборочных машин наиболее подходят сегменты с верхней насечкой лезвия, а вкладыши пальца - с гладким лезвием по ГОСТ 158-74 (см. рис. 10). Угол трения стеблей пшеницы о лезвие сегмента j₁=32°, а по лезвию вкладыша j₂=16°. Угол наклона указанного сегмента a₁=34°45’; угол наклона вкладыша a₂=0°.

Рис. 1. Параметры элементов режущего аппарата.

Наибольшее применение в зерноуборочных машинах находит  режущий аппарат нормального  резания:

S=t=t₀=76,2 мм.

Проверяем выполнение условия защемления стеблей в растворе режущих пар:

j₁+j₂³a₁+a₂       (4)

30°+16°³34°45'+0°, откуда 48°³34°45'.

Выбранные сегменты и  вкладыши удовлетворяют необходимым  требованиям. Удовлетворительное качество срезания режущим аппаратом обеспечивается, если минимальная скорость ножа V_min=1,5 . Минимальная скорость ножа может быть либо в начале, либо в конце процесса резания.

Рис. 2. Схема для определения скорости ножа.

Скорость ножа при  смещении его на расстояние X от крайнего положения определяется формулой:

V=w× ,       (5)

где w — угловая скорость кривошипа, с^-1.

Смещение ножа до моментов начала и конца резания определяем из рис. 11.

      (6)

X_н.р.=76,2- =26,2 мм.=0,0262 м,

X_к.р.=76,2- =56,7 мм.=0,0567 м.

Подставляя в (11) полученные значения X получаем:

V_н.р.=w× ;

V_к.р.=w× ;

V_н.р.=w× =0,0362×w ;

V_к.р.=w× =0,033×w .

Минимальное значение скорости ножа будет иметь место в конце  резания, и оно должно быть не ниже 1,5 , то есть V_к.р.=0,033×w³1,5 .

Отсюда: w= =45,5 с^-1, а частота вращения кривошипа:

n= ,          (7)

n= »435 мин^-1.

Для того чтобы стебли в процессе подведения их сегментом к пальцу не скользили вдоль лезвия к вершине сегмента и не выскальзывали из раствора режущей пары, необходимо выполнение условия:

tga₁> ,         (8)

где r= =38,1 мм=0,0381 м — радиус кривошипа;

Для нашего случая: tga₁=tg34°45'=0.694.

Правая часть условия (14) равна:  0,694> , или  0,694>1,34.

Так как условие (14) не выполняется, то при заданной скорости машины

V_{м max}=2,33 и вычисленной выше частоте вращения кривошипа n=435 мин^-1 возможно выскальзывание стеблей из раствора режущих пар и потери несрезанным колосом. Для выполнения условия (14) число оборотов кривошипа должно быть увеличено. Из формулы (14) следует:

w³ ³88,12 c^-1;

n= =842 мин^-1.

Это значение частоты вращения и  принимаем, так как оно обеспечивает все требования, предъявляемые к кинематике ножа.

Приняв число оборотов n=842 мин^-1, находим подачу:

h= ;

h= =0,083.

Значение h ниже допустимых пределов для нормальных режущих  аппаратов при кошении хлебов (допустимые значения 0,18 ¸ 0,195 м при высотах среза H_x=138 ¸ 150 мм).

Проверяем высоту стерни, получаемую при работе машин на максимальной скорости. Высота стерни определяется формулой:

H= ,         (9)

где H_x — высота установки режущего аппарата над поверхностью поля, м;

q — величина продольного или  поперечного отгибов стеблей, м.

Поперечный отгиб определяется:

g_поп=(t₀-b)× ,       (10)

g_поп=(0,0762-0,012)× =0,095;

Продольный отгиб:

g_прод=A× -h’,

g_прод=1,29× -0,044=0,063,

где А=1,29 — коэффициент для аппарата нормального резания.

Сравнивая величины отгибов, видим, что  максимальный поперечный отгиб в 1,51 раза больше продольного и высота стерни будет определяться этим отгибом. Кроме того, поперечному отгибу подвергаются подавляющее большинство стеблей, в то время как продольному - незначительное количество. Подставляя в (15) значения поперечного отгиба и минимального значения высоты стерни H, находим необходимую высоту установки режущего аппарата H_x , которую должно обеспечивать устройство для регулировки высоты среза:

0,15= ;

H_{x min}= =0,116 м=116 мм.

Для обеспечения некоторого запаса принимаем H_{x min}=100 мм.

В результате анализа выбираем сегмент  и вкладыш по ГОСТ 158-74;

режущий аппарат типа S=t=t₀=76.2 мм; частоту вращения вала кривошипа n =842 мин^-1.

Мощность, потребная для привода режущего аппарата, зависит от величины подачи, густоты хлебостоя, остроты лезвия, ширины захвата жатки и определяется по формуле:

N=N_уд×B,          (11)

где N_уд — мощность, потребная на 1 м захвата жатки, ;

В — ширина захвата жатки, м.

Для рассчитываемого аппарата с  шириной захвата В=6 м, подачей h=0,0831 м, N_уд=0,34 , по формуле (17) получим:

N=0.34×6=2,04 .

В качестве предохранительного устройства от поломок режущего аппарата обычно используется клиноременная  передача привода, пробуксовывающая при  забивании аппарата.

 

Расчет мотовила

 

Для обеспечения возможности  подведения стеблей растения к режущему аппарату окружная скорость планки мотовила U=w×R должна превышать скорость движения машины V_м на определенную величину. Соотношения этих скоростей =l=1,64¼1,83 зависит от скорости движения машины. После выбора значения l необходимо вычислить скорость воздействия планки мотовила на стебли. Эта скорость не должна превышать 0,6 (иначе, возможен, вымолот планкой зерна из колоса), то есть w×R-V_м<0,6 .

Крайние значения возможной окружной скорости планки:

U_min=w_min×R= V_{м min}×l_min=0,78×1,64=1,28 ;

U_max=w_max×R= V_{м max}×l_max=2,33×1,15=2,68 ;

w_min×R-V_{м min}=1,28×0,78=0,5<0,6 ;

w_max×R-V_{м max}=2,68-2,33=0,35<0,6 .

Рис. 3.Определение радиуса мотовила.

Условия нормальной работы мотовила выполняется. В заданном диапазоне  рабочих скоростей машины, окружная скорость планки мотовила должна измениться от U=w_min×R=1,28 до U=w_max×R= 2,68 . Радиус мотовила определяется из условия воздействия планки на стебель в центре его тяжести, в противном случае срезанный стебель может, перевалившись через планку, упасть на землю, а не на транспортер жатки. Полагая, что центр тяжести стебля располагается на 1/3 длины стебля от вершины (см. рис.12), находим радиус по формуле:

R£ , или более точно

R£ ,      (12)

где k= =0,278;

R£ =0,612 м.

Зная радиус, можем определить диапазон частот вращения для рассчитываемого  мотовила.

w_min= =2,09 с^-1;

w_max =4,38 с^-1;

n_min= =19,58»20 мин^-1;

n_max= =41,8 мин^-1.

Таким образом, вариатор мотовила должен обеспечить изменение частоты вращения в пределах от 20 до 42 мин^-1. Число планок мотовила определяется из условия, что ось мотовила вынесена вперед, и для подведения стеблей используется вся ширина петли трохоиды А1 А2 (см. рис.12). Тогда количество планок:

z= ,        (13)

где h=1¼1,7 — коэффициент, учитывающий влияние стеблей друг на друга при подведении их планкой к режущему аппарату;

l — определяется из выражения sinj= , рад; sinj= =0,67, j=0,736 рад.

Для рассчитываемого  мотовила принимаем:l_ср= =1,49;

Подставив полученные значения в выражение (19) получим:

z= =6,8;

Из конструктивных соображений принимаем z=5.

Пределы перемещения  мотовила по высоте относительно режущего аппарата определяются в соответствии с заданными высотой хлебостоя L_max и высотой установки режущего аппарата h_min над поверхностью поля. При L_max=1 м, h_min=0,1 м, получим:

H_max=L_max+ -n_min;

H_max=1+ -0,1=1,54 м,

где L_max — заданная высота хлебостоя, м;

h_min — высота установки режущего аппарата над поверхностью поля, м.

H_min должно быть больше радиуса мотовила на величину, обеспечивающую свободное прохождение планки над поверхностью платформы жатки:

H_min =R+(30¼50 мм)=0,736+0,044=0,78 м

Наибольший вынос мотовила вперед от линии режущего аппарата должен быть не более чем:

e=R×

e=0,736× =0,616 м.

Отклонение зубьев граблин мотовила от вертикали должно находиться в  пределах: вперед-35°, назад-15°. Эти пределы обеспечивают подъем мотовилом сильно полеглых хлебов. Мощность, потребная для привода мотовила, определяется удельным сопротивлением стеблей подводу их к режущему аппарату. Экспериментально установлено, что сопротивление р =30¼60 .

Потребная мощность при ширине захвата  жатки B определяется как

N_м= , кВт;

N_м= =1,16 кВт.

Для предохранения планок мотовила от поломок в приводе предусмотрены  предохранительные устройства, срабатывающие при удельных давлениях на планку, превышающих 50¼60 .

 

Расчет шнекового  транспортера

 

Шнековый транспортер  жатки при транспортировке хлебной  массы должен обеспечивать производительность равную максимальной производительности молотилки комбайна. Практикой установлены пределы конструктивных и кинематических параметров шнеков: наружный диаметр спирали D=460¼630 мм, высота витка шнека h=100¼125 мм, шаг спирали S=(0,8¼1)×D, окружная скорость витков спирали V_окр=4,8¼6,0 , осевая скорость V_осев=1,1¼1,65 .

Длина окружности трубы  шнека должна быть больше длины транспортируемых стеблей, во избежание их наматывания, то есть:

d> ,

где L»0,8 — средняя длина стебля, м;

D=0,1 ¸ 0,15 м — необходимый запас длины окружности трубы.

Так как хлебная масса  транспортируется от краев жатки  к центру, то правая и левая части шнека представляют собой самостоятельные транспортеры с расчетной производительностью:

q_р=0,5×q=0,5×7=3,5 .

Вычисляем необходимый  диаметр трубы шнека:

d= =0,3 м.

Задаваясь высотой витков шнека h=0,125 м, находим наружный диаметр спирали:

D=d+2×h;

D=0,3+2×0,125=0,55 м.

Шаг витков находим как

S=0,9×D;

S=0,9×0,55=0,495 м.

Определяем необходимую  частоту вращения шнека:

n= ,

где g=45 - объемный вес хлебной массы;

j=0.3 - коэффициент заполнения шнека.

n= =188,3 мин^-1.

Определяем окружную и осевую скорости:

V_окр= ;

V_осев= ;

V_окр= =5,423 ;

V_осев= 1,553 .

Полученные значения находятся  в рекомендуемых пределах и, следовательно, работа транспортера будет удовлетворительной. Для предотвращения защемления транспортируемой массы между витками шнека  и днищем жатки между ними должен быть предусмотрен зазор до 10 ¸ 15 мм.

Мощность, потребляемая шнеком жатки  при В=6 м равна:

N=0,01×q × B×V_осев×w₀;

N=0,01×7×6×1,55×1,2=0,7812 кВт;

где w₀=1,2 - опытный коэффициент.

Оптимальная высота выхода пальцев из трубы шнека H=136 мм, число  рядов пальцев - 4, шаг пальцев около 250 мм.

 

Транспортер наклонной  камеры

 

Для обеспечения растаскивания  хлебной массы и более равномерной  ее подачи в приемную камеру молотилки  скорость скребков транспортера V_тр должна быть на 25¼40% выше максимальной окружной скорости конца пальца шнекового транспортера жатки и находиться в пределах V_тр=3,1¼6,3 .

Шаг скребков S = 165¼235 мм.

Так как плавающий  транспортер перемещает массу нижней ветвью, то воздействие на массу веса транспортера и силы давления его пружин затрудняют определение величины мощности, потребляемой транспортером.

 

Отбойный битер

 

Битер должен снимать  с барабана поток грубого вороха и направлять его на начало соломотряса.

Диаметр битера по концам лопастей выбирают в пределах 330..400 мм, а окружную скорость 10¼18 .

Число лопастей — 6.

Расчет соломотряса

 

В процессе расчета выбираем радиус кривошипа и частоту вращения коленвала, ширину и длину соломотряса, число клавишей при заданных значениях  производительности молотилки и допустимых потерях.

Многолетним опытом российского и  зарубежного комбайностроения установлено, что оптимальный радиус колена вала r_к=50 мм, а оптимальная частота вращения коленвала n_к=195¼215 мин^-1. При этом средняя скорость движения грубого вороха по соломотрясу составляет V_с=0,33¼0,4 .

Ширина соломотряса В_с принимается равной ширине молотильного аппарата. Число клавишей при B_c=1200 мм равно четырём. Для молотилки с пропускной способностью q=7   хлебной массы и шириной молотилки 1200 мм выбираем соломотряс шириной В_с равной 1200 мм, четырёхклавишный, r_к=50 мм, n_к=200 мин^-1. Длина соломотряса L определяется по выражению:

q_п=q_з.п.×e^-m×L,          (14)

где q_з.п. — количество зерна, поступающего на соломотряс, ;

q_п — допустимые потери зерна за соломотрясом, ;

m — коэффициент сепарации, м^-1.

Из соотношения между содержанием  зерна и соломы в хлебной массе 3:С=1:1,5 и пропускной способностью молотилки q=7 определяем количество зерна, поступающего в молотилку:

Количество зерна, просыпающегося через деку:

q_д»0,8×q_з=0,8×2,8=2.24 .

Количество зерна, поступающего на соломотряс:

q_з.п.=q_з - q_д=2,8 - 2,24=0,56 .

По заданному проценту допустимых потерь зерна за соломотрясом (0.5¼1.0 % от всего поступающего в молотилку) определяем вес теряемого зерна. При потерях 0.5%:

q_п=0,005×q_з=0,005×2,8=0,014 .

Коэффициент сепарации m зависит от толщины слоя вороха на соломотрясе. Для толщины слоя H₀=0,17 м, при соотношении зерна и соломы З : С=1 : 1,5, коэффициент m₀=1,8 м^-1. Для других значений толщины слоя коэффициент m определяется из соотношения:

m=m₀× ,         (15)

где m=0,8 ¸ 1,2

Определяем толщину слоя

где g=10¼20 — объёмный вес вороха;

V_c=0,4 — скорость движения вороха по соломотрясу;

Отсюда по формуле (21) получаем:

m=1,8× =0,812 м^-1,

Подставляя в формулу (20) вычисленные  значения, имеем:

0,014=0,56×e^-0,812L,

Откуда L= =4,543 м»4,6 м.

В случае, если допустимые потери в 1%, то есть q_n=0,028 , то

0,028=0,56×e^-0,812L, L=3,7 м.

 

Расчет очистки

 

Размеры очистки определяются количеством мелкого вороха поступающего на очистку в единицу времени:

Q_В=q (1-n×a),         (16)

где q — подача в молотилку ;

n — коэффициент содержания зерна в хлебной массе;

a — коэффициент, зависящий от режима работы молотильного аппарата и влажности хлебной массы.

Так, при подаче в молотилку q=7   хлебной массы при влажности W=15% и отношении зерна к соломе З:С=1:1,5, a=0,9 нагрузка на очистку по формуле (22) равна:

Q_В=7×(1-0,4×0,9 )=4,48 .

Потребная площадь решета очистки определяется по допустимой удельной нагрузке на решето q_F=1,5¼2,5 ;

Ширина решета ограничивается шириной молотилки B_М и равна:

B_p=(0,9¼0,95)×B_м;

B_p=0,9×1,2=1,08 м.

При B_м=1,2 м длина решета:

Размеры нижнего решета принимаем близкими к размерам верхнего.

Для получения высокой  чистоты зерна (98 % и выше) нагрузка на единицу ширины очистки не должна превышать q_в=1,5¼1,7 . Если же предполагается последующая обработка зерна на стационарных зерноочистительных пунктах, то допускается повышенная засоренность зерна после очистки (чистота до 96 %) и нагрузка на 1 м ширины очистки может быть повышена до q_в=2,5¼3,8 . В нашем случае:

что находиться в допустимых пределах.

Принимаем размеры решет  - B_Р´L=1080´1660 мм;

Длина пальцев удлинителя решета:

l_у=(0,15¸0,2)×L=1,66×0,15=0,249 м.

Расстояние между пальцами удлинителя 12¸15 мм, угол наклона решет к горизонту 0¸2°, угол наклона пальцев удлинителя 12¸15 °. Размах колебаний решет:

верхнего 60¼80 мм;

нижнего 30¼40 мм.

Частота колебаний 260¼300 мин^-1.

Скорость воздушного потока над верхним решетом должна быть:

над передней частью - 5,8¼6 ;

над средней и задней - 3,8¼4 ;

для каскадной очистки  - 5¼6 .

Угол наклона воздушного потока к горизонту 25¼30°.

Стрясные доски имеют  ступенчатую поверхность для  предотвращения скольжения вороха назад и совершают колебательные движения совместно с верхним решетом очистки. Стрясная доска снабжается на конце пальцевой решеткой, которая отводит крупные соломистые примеси на середину решета, что создает благоприятные условия для просеивания основного вороха. Ширина выходного окна вентилятора принимается равной ширине решета:

B_в=B_p=1,08 м.

Высота выходного окна вентилятора:

где V_в=8¼12 - скорость воздушного потока на выходе из вентилятора;

Q - расход воздуха. Q=1,04×Q_в=1,04×4,48=4,6592 ;

Струя воздуха должна обдувать решето по всей длине. При этом высота окна должна быть равна:

H_B= ,        (17)

где К₀=0,5¼0,6-коэффициент учитывающий отклонение потока решетом;

b=12°¼16° - угол расширение струи;

d=25°¼30° - угол наклона потока к решету:

а»100 мм - конструктивный размер.

Подставляя эти значения в выражение (23) получим:

H_B= =0,3529 м.

Если полученное значение H_B будет больше предыдущего, то необходимо подобрать другое значение размера а.

Рис. 4.Параметры выходного окна вентилятора очистки.

Динамический напор:

где r=1,25 - плотность массы воздуха,

Статическое давление:

где К=0,35¼0,4.

Полный напор:

H=H_ст+H_д=644,7+90=734,7 Па.

Теоретический напор  находим, полагая КПД вентилятора h=0,5:

Диаметр входного отверстия вентилятора:

где n=450¼1000 мин^-1 - частота вращения вентилятора (принимаем n=725 мин^-1).

Внешний диаметр колеса:

Внутренний диаметр колеса:

D₁=0,4×D₂=0,4×0,9458=0,378 м.

Мощность, потребляемая вентилятором:

где h_n=0,95¼0,98 - КПД передачи.

Так как скорость воздушного потока в очистке зависит от свойств  вороха убираемой культуры, его влажности и т. п., то в конструкции вентилятора или его приводе необходимо предусматривать устройство, позволяющее регулировать скорость воздушного потока. Наиболее совершенным способом регулирования является изменения частоты вращения вентилятора. При этом производительность вентилятора, а, следовательно, и скорость воздуха на его выходе, изменяются пропорционально частоте вращения.

 

Расчет транспортирующих органов молотилки

 

Шнек зерновой

 

Параметры шнека определяем задаваясь его производительностью. Производительность шнека определяется количеством зерна, поступившим в молотилку:

Q_ш=q× ,          (18)

При пропускной способности молотилки q=7 и соотношении зерна к соломе равному 1:1,5 получим по формуле (24):

Q_ш=7× =2,8 =10,08 .

Задаваясь наружным диаметром шнека D из ряда (ОСТ 23.7.2-90): 60, 80, 90, 100, 125, 150, 160, 200, 250, 320, 400 и 500 мм, шагом t=D, диаметром  вала d=20¼80 мм и частотой вращения n = 60-400 мин^-1, определяем необходимую производительность шнека Q_ш, либо по заданной производительности и конструктивных параметрах находим необходимую частоту вращения вала:

Q_ш=47,1×[(D+2l)²–d²]×t×y×n×g×с, ,      (19)

где D — диаметр шнека, м;

d — диаметр вала  шнека, м;