CC BY
39
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОГО ЩЕТОЧНОГО ОТРАЖАТЕЛЯ СЕМЯН
А.А. Шварц, С.А. Шварц
Аннотация. Исследованиями обоснованы конструкция, параметры, режимы работы и место установки ротационного и пассивного щеточного отражателя механического аппарата точного высева с вертикальным ячеистым диском при посеве мелкосеменных культур на примере рапса.
Ключевые слова: радиус высевающего диска, диаметр ячейки, глубина ячейки, ротационный щеточный отражатель, радиус щетки, размер семян, угол установки, гипоциклоида, длина дуги, угол поворота высевающего диска, количество щеток, коэффициент воздействия щеточного отражателя.
Ротационный щеточный отражатель - это рабочий орган, состоящий из вала, цилиндра и некоторого количества щеток. Рабочими элементами отражателя являются ячейки, расположенные по окружности цилиндра. Назначение его - удалять семена с ячеистой поверхности высевающего аппарата, а также удалять лишние семена, частично запавшие в ячейки. Для этого ротационный щеточный отражатель установлен над ячеистой поверхностью высевающего диска так, что касается ее окружностью, описываемой крайними точками щеток.
Лишнее семя, частично запавшее в ячейку, в момент соприкосновения со щеточным отражателем испытывает сжимающее усилие по линии АВ (рисунок 1) и касательные силы трения о диск и щетку.
Так же, как и для жесткого ролика- отражателя, для определения максимально допустимого диаметра ротационной щетки, рассмотрим случай, когда диаметр АВ, проведенный через точки касания семени о диск и щетку, совпадает с прямой до1 (рисунок 1).
Согласно теореме косинусов для треугольника ОАО- верно равенство
■ л - _ г-, ■" = л." _ _ _ Л ■" _ _ ."V г-, - _ _ Л ■ Л1ТС. (1)
где Я - радиус высевающего диска, м;
- - максимально допустимый радиус щеточного
отражателя, м;
г - радиус наименьшего семени, м;
а - расстояние от центра семени до прямой, проведенной через точки касания семени диска, м.
Решив уравнение (1) в общем виде, получим
^2 С О Эк ■ ’
г+а 1
(2)
Подставив в выражение (2) значения а =
■1 и
= 1-------и
^—иг, получим зависимость для 2УЗ
определения максимального допустимого радиуса ротационного щеточного отражателя
=
(3)
Угол установки ротационного щеточного отражателя лишних семян определяется по ранее установленным зависимостям для жесткого ролика - отражателя.
Характер взаимодействия ротационного щеточного отражателя с высевающим диском и семенами можно представить, рассматривая их траектории и скорости относительного движения. Для этого предположим, что высевающий диск неподвижен, а щеточный отражатель, вращаясь вокруг своей оси с угловой скоростью СО-, одновременно вращается вокруг оси диска с угловой скоростью СО-, равной угловой скорости диска, но в противоположном направлении (рисунок 2).
Рисунок 2 - К определению радиусов неподвижной и производящей окружностей
Следует полагать, что точка А (рисунок 2), лежащая на конце щетки отражателя, движется по окружности концентричной некоторой окружности радиусом
■! _, которая в свою очередь перекатывается без скольжения по неподвижной окружности, имеющей центр на оси вращения высевающего диска 0 и радиуса р.
В этом случае траекторией движения точки А будет удлиненная гипоциклоида, для построения которой необходимо определить радиусы р и р у
Точка касания неподвижной и производящей окружностей В есть мгновенный центр вращения окружности щеточного отражателя относительно ячеистого диска.
Из рисунка 2 видно, что
диаметра активного щеточного отражателя
R + R2 = p - p:
ЩР1 — СОд p.
CO
После ряда преобразований имеем 1^2
р =
(4)
(5)
(6)
(7)
1 =Эп;
Я+ И.?
= .
Составим параметрические уравнения для построения траектории движения точки А, являющейся удлиненной гипоциклоидой. В качестве параметра принимаем угол поворота луча 001 из его начального положения ф. Начало координат 0 расположим в центре направляющей окружности, ось ОХ направлена к одной из начальных точек (рисунок 3).
относительного движения точки ротационного щеточного отражателя
Из очевидных соображений имеем
(8)
Y = (р — р1)зіпф - R2si
Рисунок 4 - Траектория относительного движения точки ротационного щеточного отражателя
Для непрерывного воздействия щеток на длине дуги Ь , соответствующей углу < А1ОАп , необходимо,
чтобы траектория следующей щетки была смещена относительно траектории первой на длину дуги 1.
В этом случае необходимое количество щеток отражателя определяется зависимостью
L .
(9)
(10)
Длину дуги L можно определить из следующего соотношения
__ Ра. ^
271 р
где 01 Оп - градусная мера дуги 0^0 п • отсюда имеем
L = 2л-
Н-
В свою очередь
11 = 2г-ДЬ,
где Г - радиус наименьшего семени;
(11)
(12)
Для дальнейшего рассмотрения характера взаимодействия щеточного отражателя и высевающего диска построим удлиненную гипоциклоиду (рисунок 4) [1, 2].
Как видно из рисунка 4, активными участками траектории точки щетки являются участки, которые примыкают к вершинам гипоциклоиды. Если провести окружность с центром в точке 0 и радиусом Я+Ъ, где Ъ -минимальная высота выступания лишнего семени, запавшего в ячейку диска, то точки пересечения этой окружности с траекторией точки А будут границами активного участка гипоциклоиды, а точки А и А будут
являться границами зоны воздействия ротационного щеточного отражателя на поверхность высевающего
диска. Дуга А А =1 центрального угла а образуется при повороте радиуса р 2 вокруг центра щеточного отражателя на угол 2А и в то же время повороте центра щетки относительно точки О на угол ф.
Г. - величина западания лишнего семени в ячейку.
Для определения длины дуги 1 рассмотрим углы поворота ячеистого диска и щеточного отражателя.
В случае, если бы ячеистая поверхность была неподвижна, то щетка могла бы отбросить лишние семена, выступающие из ячейки на величину Ь, в пределах угла 2 р, повернувшись на угол 2А,. Углы р и А можно определить (рис. 4) с использованием теорем косинусов и синусов
(Я + Ь)2 = Щ + (К + К2)2- 2К2(К + К2)сс$), (13) откуда
СОБ Л
R|+(R-bR3j2-(R+h]2 2 R^ I- Rj }
Угол P определяем из соотношения Rs _ (R+h)
sin p sin Л.
Яп -sin?.
(14)
(15)
(16)
(К+Ь) '
Так как ячеистая поверхность вращается, то щетка сбросит лишние семена в пределах угла
а = 2 (3 + ^ 5 (17)
где ф - угол поворота высевающего диска при повороте щеточного отражателя на угол 2А.
(18)
Р
Ф
2>Л
Используя соотношение (5), получим
ш = 2к— • (19)
Тогда имеем
* X
Юге
Подставляя формулы (20) и (11) в (9), получаем количество щеток, необходимое для непрерывного воздействия на ячеистую поверхность
• (21)
Второе условие исключается, т.к. практически оно не выполнимо.
п
—'
Выразим количество необходимых щеток, используя формулы (14) и (16) для определения углов а и р.
1--------------------(22)
ощ . я» і іт& (шЬ)**'
‘"та1-!, г*г‘.к+ы-------------------1
пЗкпшг)” (пі Цс 05—*--„ ----
гКг'Д+Яз)
Полученное расчетное значение 2-д округляем в
большую сторону до ближайшего целого числа Ещ.
В качестве критерия для оценки интенсивности воздействия щеток на семена, находящиеся на ячеистой поверхности, и на лишние семена, частично запавшие в ячейки диска, принимаем величину п , которую можно назвать коэффициентом воздействия щеточного отражателя
Ч-Я
(23)
Для выяснения характера зависимости коэффициента воздействия щеточного отражателя подставим в
формулу (23) зависимости для определения 2Щ (22)
л = — (— а~сзіп-
(Я + Я,)2 - (Я + Ю2\
— +
-Ьагі.соз-
(24)
коэффициента воздействия
Рассмотрим полученный график. Участок СБ соответствует случаю, когда угловая скорость отражателя имеет положительные значения, участок СО - угловая
скорость отражателя отрицательная, в точке О' направление вращения отражателя и диска совпадают, воздействие отражателя на диск отсутствует, п=0 . Точка С соответствует режиму работы, когда сощ = 0 или
■--1= .
Для случая, когда со = 0 зависимость примет вид , еш Щ Ї^+(К+К2]2-(К+102
г| =— агееоз —
71
(5)
2Я2(К+Я2_
Полученное уравнение выражает линейную зависимость вида т-| — ^ — ^ и графически изображается
ид
прямой линией (рисунок 5), не проходящей через начало координат.
Данный случай соответствует работе неподвижного щеточного отражателя при угловой скорости высевающего диска СО™ .
Влево от точки Ол находится участок, на котором СОд ^ СОщ, а коэффициент воздействия щеточного отражателя имеет отрицательные значения.
Качественные показатели работы различных типов отражателей семян проверялись экспериментальным путем.
Программой исследований предусматривалось изучение изменения показателей работы отражателей лишних семян трех типов (жесткий ролик, ротационная и пассивная щетки) в зависимости от конструктивных и кинематических параметров.
Теоретические расчеты показали, что для качественного удаления лишних семян, частично запавших в ячейку диска, необходимо использовать жесткий ролик и ротационную щетку, которые должны иметь достаточно малый диаметр, соответственно 3,75 мм и 7,11 мм. В качестве проверки применялось масштабное построение для жесткого ролика - отражателя, которое подтвердило правильность теоретических выводов.
При экспериментальных исследованиях использовались ролики диаметром 2,5; 3,75; 6,0; 8;0; 12,0 мм и ротационные щетки диаметром 5; 7; 10; 12 и 14 мм. Необходимость обеспечения требуемой относительной окружной скорости между высевающим диском и отражателем семян [3, 4] привела к конструктивным сложностям изготовления привода отражателей и жестким режимам работы.
Теоретически установлено, что при таких режимах работы ротационного щеточного отражателя число щеток, определенное по формуле (22), составляет
= 0,7 3 & 1. Этот факт указывает на то, что в качестве отражателя лишних семян можно применять пассивную щетку. В экспериментах использовались пассивные щетки с длиной ворса 3; 5; 8; 12 и 14 мм.
Изменение качественных показателей работы отражателей, т.е. заполняемость ячейки и дробление семян, в зависимости от размеров отражателей, приведены соответственно на рисунках 6 и 7.
Экспериментальные исследования подтвердили теоретические расчеты, что и видно на графиках, анализ которых показывает - конструкция отражателей влияет на заполняемость в меньшей степени, чем увеличение их размеров. Так, при увеличении диаметра отражателей до 12 мм приращение заполняемости составило 1,5-2,5%, а дробление семян при этом у щеточных отражателей достигло 1,6-1,8%; при установке жесткого ролика наблюдается резкое увеличение дробления семян при диаметре отражателя более 6 мм.
Наилучшие показатели получили: для пассивной щетки с длиной ворса 5 мм; ротационной щетки - диаметром 7 мм и жесткого ролика-отражателя диаметром 3,75 мм.
Анализ качественных показателей работы, а также конструктивных и кинематических особенностей различных типов отражателей лишних семян показал, что наилучшие результаты получили при установке пассивной щетки с длиной ворса 5 мм.
Изменение давления массы семян на отражаемое семя в зависимости от угла установки отражателя ф . есть гармонические колебания. Анализ графических зависимостей показывает, что наименьшее приращение
103
102
101
100
2 \
3
1
2
4
6
10
12 dn, мм
Рисунок 6 - Изменение степени заполнения (З) ячеек высевающего диска от конструкции и размеров (с!
отражателя лишних семян:
1 - жесткий ролик; 2 - ротационная щетка;
3 - пассивная щетка
D°%
5
4
3
2
1
О
жесткий юлик / ротац ионная щет ка
/ по ссиЬная щеп жа \
2
4
6
10
12 4, мм
Рисунок 7 - Влияние конструкции и размеров (£І отражателя на дробление (Б) семян
давления массы семян наблюдается в диапазоне угла фт. от 0° до 30°, что соответственно и являлось рекомендацией для установки отражателя с учетом минимального дробления семян при оптимальном заполнении. Результаты экспериментальных исследований пассивного щеточного отражателя приведены в таблице для высевающего диска с ранее установленными рациональными параметрами.
Угол установки отражателей семян, определенный расчетным путем, равен 4°50', что соответствует опытным данным для угла 5°, при котором, по результатам серии опытов, дробление минимально, а заполняемость ячеек равна 100% только при Vд = 0,06 м/с. Поэтому для получения заполняемое™ ячеек близкой к 100% на
всех исследуемых окружных скоростях диска угол установки приняли равным 10°, для которого величина дробления семян увеличилась в среднем на 0,6% , но находится в пределах нормы.
Таблица 1 - Влияние угла установки отражателя на
Угол установки отражателя, град Окружная скорость диска, м/с З аполняемость ячеек, % Дробление семян, %
0,0б 100,0 0,3б
5 0,10 99,0 0,15
0,15 97,8 0,18
0,0б 100,8 0,90
10 0,10 100,3 0,81
0,15 99,8 0,82
0,0б 101,0 1,20
20 0,10 100,8 1,08
0,15 100,0 1,14
30 0,0б 0,10 0,15 101,3 101,0 100,2 1,58 1,41 1,5б
Качество работы экспериментальных высевающих аппаратов, в виде посевного блока к зерновой сеялке, проверялось в полевых условиях при посеве рапса, люцерны и клевера.
Список использованных источников
1 Выгодский, М.Я. Справочник по высшей математике/ М.Я. Выгодский. - М.: Наука, 1969.-872 с.
2 Левицкий, В.С. Машиностроительное черчение/ В.С. Левицкий. - М.: Высшая школа, 1988.-352 с.
3 Рузаева, А.М. Основные направления создания сеялок для точного высева семян овощных культур //Сельхоз. маш.,агрегаты и узлы: Обзор информ./ЦНИИТЭИ тракторо-сельхозмаш/ А.М. Рузаева, И.К. Смирнов.-М., 1979.-Вып.10.-29 с.
4 Василенко, В.В. Расчет рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин/ В.В. Василенко.- Воронеж: Изд-во ВГУ, 1994.-288с.
Информация об авторах
Шварц Анатолий Адольфович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры стандартизации и оборудования перерабатывающих производств ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 39-61-21.
Шварц Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, заместитель директора ООО Импэкстрейд-Агро, тел. (4712) 52-11-25.
