CC BY
16
МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ.
Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур 2007. вып. 1 (136)
А, А. Тюрин,
научный сотрудник В. Д. Шафоростов,
доктор технических наук
ВНИИ масличных культур
Л. Г. Сухомлинов,
доктор технических наук, профессор В. Л. Михайлова,
кандидат технических наук
МАМИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ОБМОЛАЧИВАЮЩЕГО ВАЛЬЦА ЛУЩИЛКИ КЛЕЩЕВИНЫ
Рисунок 1— Схема усовершенствованного лущильного устройства вальцового
типа: 1 - рама; 2 - валец; 3 - дека; 4 - компонент вороха клещевины (коробочки); 5 - стена загрузочной камеры; 6 - направляющая загрузочной камера; 7 - винтовая пара для вертикального перемещения деки; 8 - винтовая пара дая горизонтального перемещения деки; 9 -вал привода обмолачивающего вальца.
УДК 631.361.4:633.853.55
К настоящему времени разработано множество способов и соответствующих устройств для обмолота вороха клещевины [3, 7, 8, 10].
Нами была разработана принципиальная схема усовершенствованного лущильного устройства вальцового типа (рис. 1).
В ней по сравнению с существующим лущильным устройством введен дополнительный элемент - винтовая пара 7 для изменения положения деки 3 в вертикальном направлении. Это позволяет обеспечить такое взаимодействие рабочих органов устройства, при котором воздействие последних на компоненты обрабатываемого вороха клещевины 4 было бы минимальным, а рабочую линию границы выпуклой части деки можно было бы перемещать в процессе эксплуатации устройства.
Кроме этого, дека расположена по отношению к вальцу 2 под прямым углом с горизонтальной плоскостью, проходящей через ось вальца. В то время как у существующего устройства в плоскости, пересекающей под острым углом с горизонтальной плоскостью проходящей ниже от вальца.
Процесс лущения коробочки клещевины (обрабатываемого объекта) осуществляется в результате действия сил трения в зонах контактного взаимодействия обрабатываемого объекта с вращающимся вальцом и неподвижной декой при прохождении обрабатываемого объекта через
зазор между вальцом и декой. Для обеспечения благоприятных условий такого контактного взаимодействия (не допускающих повышенной концентрации нормального давления на поверхности обрабатываемого объекта) поверхностные слои вальца и деки выполнены из достаточно податливого и вместе с тем упругого материала - резины. При этом резиновая поверхность вальца имеет рельефный характер (с впадинами, вмещающими значительную часть коробочки клещевины и промежуточными выступами), так что силовое взаимодействие обрабатываемого объекта с вальцом
осуществляется в зоне вершины соответствующего выступа.
На начальном этапе проектирования рассматриваемого механизма осуществляется определение основных его геометрических и физико-механических параметров, способных обеспечить лущение коробочки клещевины без разрушения ее содержимого при достаточно малых скоростях вращения вальца. В таком случае динамическими эффектами можно пренебречь, оценивая соответствующие силовые факторы методами статики. На этом этапе, исходя из предполагаемых габаритных размеров вальца и деки, а также
известного диаметра коробочки клещевины (порядка 13 мм), оценивается величина зазора между вращающимся вальцом и неподвижной декой, при которой обрабатываемый объект в процессе поворота вальца способен проходить через указанный зазор с некоторым натягом, не разрушаясь. Наряду с чисто геометрическими данными здесь необходимо учитывать деформативные и фрикционные характеристики резины и коробочки клещевины, а также ее прочностные параметры. Эти физико-механические характеристики (включающие зависимость деформации слоев резины от силы давления со стороны коробочки клещевины, коэффициент трения в зоне контакта, силу трения, достаточную для реализации лущения, а также силу давления, способную разрушить содержимое коробочки) определяются в экспериментах со сжатием коробочки клещевины между слоями резины.
Использование полученных данных в дальнейшем статистическом расчете сводится к следующему, На основе предварительно заданной геометрии рабочих поверхностей вальца и деки с учетом их взаимного положения определяются угловые положения контактных зон на поверхности обрабатываемого объекта. В этих зонах на обрабатываемый объект действуют силы нормального давления и трения. Записывая условие равновесия обрабатываемого объекта под действием этих сил, с учетом закона трения (связывающего силы трения и нормального давления через коэффициент трения), а также отмеченные выше физико-механические характеристики тел, участвующих в процессе лущения, можно получить уточненную оценку геометрии зазора и поверхности вальца. Такая уточненная геометрия должна обеспечивать возникновение в процессе поворота вальца силы давления на обрабатываемый объект, величина которой должна быть меньше предельно допустимого значения. При этом угловое положе-
ние зоны контакта должно быть таким, чтобы возникающая сила трения была способна инициировать процесс лущения. Все дальнейшие оценки по работоспособности разрабатываемого лущильного устройства требуют изготовления соответствующего опытного образца.
Перед тем, как перейти к оценке динамических эффектов в рассматриваемом процессе лущения, необходимо знать числовые значения характеристик силового воздействия объектов, участвующих в процессе обмолота коробочек клещевины. Для этого нами разработан и изготовлен стенд (рис. 2).
С)
дукт обмолота в лущильном устройстве и соответствующий угол проворота вальца по положению рычага.
Установим характеристики силового взаимодействия объектов, участвующих в процессе обмолота. При прохождении коробочки клещевины через упомянутый зазор на соответствующий выступ вальца со стороны обрабатываемого объекта действует сила Р9. приложенная к вершине выступа и действующая в направлении, поперечном по отношению к его высоте. В этом направлении выступ обладает наибольшей податливостью и деформируется главным образом по схеме изгиба
Рисунок 2 - Схема стенда ДЛЯ определения характеристик динамических
эффектов в лущильном устройстве: 1 - рама; 2 - дека; 3 - валец; 4,5- винтовая пара; 6 - рычаг; 7 - скоба; 8 - динамометр; 9 - угломер.
К обмолачивающему вальцу 3 устройства жестко прикреплен рычаг 6 и шарнирно скоба 7, между которыми располагается динамометр 8. При проведении экспериментов на стенде по угломеру 9 отмечается начальное положение рычага. По мере воздействия прикладываемой силы на скобу, фиксируется по шкале динамометра усилие воздействия вальца на про-
короткой консольной балки. В эксперименте следует определить зависимость между величиной указанной силы Рв и перемещением Хв вершины выступа под действием этой силы.
В данном конкретном случае такой эксперимент осуществлялся следующим образом. Обрабатываемый объект заменялся металлическим шариком несколь-
6.86
20,27
41,14 61,71 Усилие Р, Н
82,29 102,86
Рисунок 3 - Зависимость сил воздействия обмолачивающего вальца на заблокированный металлический шарик в лущильном зазоре от угла проворота вальца
<Р,
град
6,86
13,71 20,57
Усилие Р, Н
25
Рисунок 4 - Зависимость сил воздействия обмолачивающего вальца на коробочку клещевины в лущильном зазоре от угла проворота вальца
ко большего диаметра, чем у коробочки клещевины.
По этой причине указанный шарик блокировался в зазоре между вальцом и декой. В такой ситуации поворот вальца мог осуществляться лишь за счет деформации выступа вальца под действием силы, приложенной к его вершине со стороны шарика. В эксперименте замерялся момент, прикладываемый к вальцу и соответствующий угол поворота вальца. По измеренным значениям момента и угла поворота определялись значения силы Рв и перемещения Хв с использованием известного радиуса вальца. Оказалось, что полученная зависимость силы Рв от перемещения Хв имеет практически линейный характер (рис. 3.), а именно:
РВ=СВХВ. (1)
где св = 2,5 кН/м - коэффициент линейной зависимости (жесткость выступа).
Далее следует экспериментально определить зависимость между силой рд, с которой обрабатываемый объект давит в вертикальном направлении на деку и перемещением х обрабатываемого объекта в этом направлении. Реальный эксперимент проводился по той же схеме, что и в случае с зависимостью (1). Отличие состояло в том, что здесь все действия проводились с использованием коробочки клещевины, которая по мере увеличения прикладываемого к вальцу момента проталкивалась сквозь зазор между вальцом и декой. При определении перемещения х коробочки клещевины из общего перемещения, пересчитываемого по углу поворота вальца, вычиталось соответствующее перемещение хв связанное с деформацией выступа вальца согласно (1). Искомая зависимость на начальном (достаточно протяженном) этапе нагру-жения оказалась также практически линейной (рис. 4), а именно:
1; с. ч. (2)
где сд = 3,3 кН/м - коэффициент линейной зависимости (совмест-132
ная жесткость резинового слоя деки и коробочки клещевины).
Отметим, что при рассматриваемом статическом характере нагружения сила Р, с которой валец и дека сдавливают коробочку клещевины в вертикальном направлении и силы Рв, Рд равны между собой. Это позволяет с использованием описанных экспериментов получить данные о степени нагруженности коробочки клещевины. Замеры позволили установить максимальное значе-
ние Р силы Р при прохождении коробочки клещевины через зазор между вальцом и декой в статическом режиме (а именно: Б = 25Н). Процесс нагружения проводился также с достижением такого значения Б силы Б, при котором фиксировалось разрушение содержимого коробочки клещевины. Такие эксперименты проводились с блокированием коробочки клещевины в зазоре между вальцом и декой (рис. 5). При этом было зафиксировано
Б = 27,ЗН. Сравнивая полученные значения Б и Б , видим, что имеет место некоторый запас прочности. гарантирующий обработку коробочек клещевины данным механизмом без повреждения их содержимого при достаточно медленном характере нагружения.
При оценке динамических эффектов в рассматриваемом процессе лущения следует опираться на накопленный в литературе по теории колебаний механических систем и динамике машин опыт построения динамических модулей и решения соответствующих динамических задач [1, 2, 4-6, 9]. С учетом этого опыта выступ вальца как упругий объект, обладающий жесткостью св и определенной массой, может быть приближенно рассмотрен по схеме одномассовой упругой системы (типа «масса на пружине»), представленной на рис. 6. Здесь тв -приведенная масса выступа вальца.
т
соа =
Ж/
т..
(3)
<р,
град
В
В
//////¿///////
Рисунок 6 - Схема одномассовой упругой системы
Как известно [2], частота
СО собственных колебаний такой
в
системы определяется формулой
Будем исходить из того, что валец лущильного механизма вращается с постоянной скоростью, делая П оборотов в минуту. Переходя от минут к секундам, вычислим угловую частоту Г2 вращения вальца так, что
П = 7.л160 = ли/30. (4)
6,86 13,71 20,57
Усилие Р, Н
27 43
Рисунок 5 - Зависимость сил воздействия обмолачивающего вальца на заблокированную коробочку клещевины в лущильном зазоре от угла проворота вальца.
Параметр С1п имеет размерность
[СЧ
Поскольку рельеф вальца в окружном направлении имеет периодический характер, обозначая через / количество выступов на вальце (в данном случае 1 = 12 ) констатируем, что в спектре частот возмущающих воздействий
наряду с частотой Ои присутствует и частота
Оя/ = /П„ . (5)
Применительно к принятой колебательной модели выступа вальца это означает, что возможна ситуация, когда при некотором значении п * скорости вращения
вальца частота О *я/ возмущающего воздействия, рассчитываемая по формулам (4) - (5) с учетом п = п * , совпадает с частотой собственных колебаний
СО в выступа вальца так, что 1ттп * / 3 О = / (6)
Указанная ситуация (резонанс) была экспериментально зафиксирована при холостом режиме работы лущильного механизма (при
/7* = 540об/.мии) по возникшим интенсивным вибрациям выступов вальца. По установленному значению п * получаем возможность из равенства [6] найти значение приведенной массы выступа Шв . В данном случае приходим к результату тв = 5,4г,
В рабочем режиме функционирования лущильного механизма реализуются ситуации, когда падающая на валец коробочка клещевины вступает в контакт с вершиной выступа вальца. В результате масса тп в колебательной модели выступа вальца (рисунок 6) меняет свое значение на тш = тв + тл , где тк - масса коробочки клещевины (тк=1г), а тж - суммарная приведенная
масса двух контактирующих объектов. Связь критического (резонансного) значения п * * скорости вращения вальца с массой швк в рабочем режиме анало-
гична (6), а именно
/яи**/30 = Л/св/»7вк (7)
На основании (6) и (7) получа-
133
ем формулу
п * * = п * / твк (8)
С использованием уже имеющихся числовых данных и формулы (8) приходим к оценке кри-
тического значения П
скорости вращения вальца рассматриваемого механизма в рабочем режиме, а именно: п* * = 496об/мин. Отметим, что в эксперименте критическое значение скорости вращения вальца п * * = 500об/ мин фиксиро-
эксп
валось по факту интенсивного отбрасывания вертикально вверх коробочек клещевины, вступающих в контакт с выступом вальца. Перегрузки в такой ситуации были настолько сильными, что приводили к разрушению содержимого коробочек клещевины. Близкие по значению величины и**, полученные расчетным путем и в эксперименте, свидетельствуют об адекватности принятой расчетной модели.
Следует подчеркнуть, что выступ вальца как упругое тело имеет широкий спектр частот собственных колебаний [2]. Использованная здесь расчетная модель одномассовой упругой системы позволяет оценить лишь самую нижнюю из частот указанного спектра. Однако для практики этого достаточно, поскольку такая оценка дает основание гарантировать, что при скоростях вращения вальца п{п * * других резонансных ситуаций нет. При П)П * * может реализоваться множество резонансных ситуаций,
способных привести к разрушению содержимого коробочек клещевины.
Окончательный вывод о надежной работе рассматриваемого лущильного механизма в области скоростей п(п * * можно сделать лишь на основе учета динамики совместного взаимодействия таких объектов, как выступ вальца, коробочка клещевины и дека. Действительно, достаточно боль-
приводить к большим ускорениям а коробочки клещевины при прохождении сквозь зазор между вальцом и декой.
Возникающие при этом достаточно большие силы инерции
= тка (действующие на
коробочку клещевины) будут приводить к соответствующему значительному увеличению отмеченной выше силы (сила реакции со стороны деформирующихся вальца и деки). В результате суммарное (с учетом динамического эффекта) значение
Р + !<][' силы давления на ко-
робочку клещевины может превысить допустимое значение
Таким образом, возникает задача об оценке указанной силы инерции в процессе контактного взаимодействия объектов, участвующих в процессе лущения.
Такую оценку будем проводить на основе расчетной схемы, представленной на рис. 7.
Рисунок 7 - Расчётная схема моделирующей движущейся и одновременно деформирующийся выступ вальца
Здесь совокупная масса выступа вальца и коробочки клещевины Ш,находится под дейст-
вием упругих реакций и
со стороны вальца и деки. Предполагается, что рассматриваемые объекты вступили в контакт в момент времени t = О. С этого момента начинается отсчет перемещения X массы /7?.... и пере-
пружины, моделирующей движущийся и одновременно деформирующийся выступ вальца.
Учитывая постоянство скорости П вращения вальца, для перемещения хо можно записать
.X,, = О Г1 (9)
О п 4 '
где Г - радиус вальца (в данном случае V = 35 мм).
Отмечаем, что изменение длины верхней пружины (перемещение Л'Г! вершины выступа в процессе его деформации) определяется формулой
хв = х0 - х • (10)
Записываем уравнение динамики для массы /7?, ,,., под дейст-вием упругих сил и /<\, со стороны вальца и деки:
тжа=ръ-рд (И)
Учитывая, что ускорение & есть вторая производная перемещения X повремени / (С1 = X) и
используя связи (1), (2), (9), (10), преобразуем равенство (11) к ви-
ду тжх + (св+сд)х = свП/1, (12)
исходя из принятой расчетной схемы, считаем нулевыми начальные условия для рассматриваемой массы , а именно: X = О, X = О, приг = 0 (13)
Как известно [2], уравнение типа (12) описывает колебания одномассовой упругой системы под действием нагрузки, линейно изменяющейся во времени. Частота СО этих колебании определяется формулой
Удовлетворяющее условиям (13) решение уравнения (12) имеет вид
х = (со! - Н'тсо1) (15)
а\св +сд)
В этом можно легко убедиться непосредственной подстановкой (15) в (12) с учетом (14) и непосредственной проверкой выпол-
шие значения скоростей п могут
нения условий (13).
Искомое ускорение а массы
/77И|< находим путем двойного
дифференцирования (15) по времени, а именно:
а = х = -
cuQ, reo
Coscot (16)
Cn +сл
Отсюда устанавливаем, что максимальное значение С1 этого ускорения вычисляется по формуле
а =
cAr<z>
Съ+СД
(17)
С использованием числовых значений параметров рассматриваемого механизма, принимая П = 500об/мин, приходим к оценке: а =75\м/С2. Соответствующая сила инерции = ту а , действующая на коробочку клещевины, оценивается величиной I'.. =0,75 Н . Как
видно, этой величины не достаточно, чтобы сила давления
¥ + Р^ на коробочку клещевины превысила критическое значение Р *. Применительно к рассматриваемому лущильному механизму приходим к окончательному выводу, что его надеж-
мещения Л'(| основания верхней
ная работа обеспечивается в диапазоне скоростей п(500об /мин ■
Выводы. 1. Представлена методика статистического и динамического расчета лущильного механизма вальцового типа, предназначенного для обработки коробочек клещевины.
2. Дана оценка влияния динамических эффектов на работоспособность такого механизма.
3. Установлено, что главный фактор, ограничивающий скорость вращения вальца (производительность) подобного лущильного механизма, связан с явлением резонанса при колебаниях резиновых выступов вальца. При увеличении скорости вращения вальца до резонансного значения вибрации выступов вальца становятся настолько сильными, что приводят к разрушению содержимого коробочек клещевины.
Литература
1. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний -М.: Наука, 1981.-568 с.
2. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. - М.: Высшая школа, 1980. - 408 с.
3. Бортников А. И., Савин А. Д., Матюша В. Г., Демченко А. Г. Новая технология и комплекс машин для уборки клеще-
вины с обработкой коробочек на стационаре // Механизация производства масличных культур: Сб. науч. тр. ВНИИ масличных культур. - Краснодар, 1990. -С. 68-79.
4. Вейц В. Л., Козловский М. 3., Кочура А. Е. Динамика управляемых машинных агрегатов. -М.: Наука, 1984.-332 с.
5. Геккер Ф. Р. Динамика машин, работающих без смазочных материалов в узлах трения. - М.: Машиностроение, 1983. - 167 с.
6. Ден-Гартог. Механические колебания. -М.: Физматгиз, 1963.
- 720 с.
7. Жукова А. В. Исследование технологии лущения коробочек клещевины // Отчет о законченной НИР. - Краснодар, 1968. -С. 151-174.
8. Рой А. А. Молотилка для клещевины // Техника в сельском хозяйстве. - 1965. - № 9. - С. 17-21.
9. Пановко В. Г. Введение в теорию механических колебаний. -М.: Наука, 1971.-340 с.
10. Шуринов В. А. Исследование процесса лущения (обмолота) клещевины аппаратом барабанного типа с формованными бичами из эластичных материалов / Шуринов Валентин Алексеевич // Автореф. дис. ... канд. техн. наук.
- Ростов-на-Дону, 1990. - 16 с.
