РАЗРАБОТКА ресурсосберегающих ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ И ОБМОЛОТА ПОЧАТКОВ СЕМЕНной

Теоретические исследования деформаций, возникающих упругих напряжений и перемещений оберток початка выполнили для случаев контакта: 1) очищаемого початка с прижимным барабаном и с направляющей; 2) обрезиненной поверхности приводного вальца, рифлёного вальца и прижимного барабана с очищаемым початком.

Рисунок 1 Установка для разделения и очистки початков:

1 приемный бункер; 2 вертикальный транспортер-дозатор вороха початков; 3 скатная доска; 4 делитель; 5 транспортер очищенных початков; 6 промежуточный бункер неочищенных початков; 7 вертикальный транспортер-доза­тор неочищенных початков; 8 лопастной дозатор; 9 направитель початков; 10 приводной очистительный валец; 11 ведомый очистительный валец; 12 прижимной барабан с карманами; 13 упор

В момент затягивания початка при съеме оберток сближение прижимного барабана и опорной поверхности имело вид:

,(2)

где з – деформация прижимного барабана и опорной поверхности, м;

в – деформация ведомого вальца, м;

п – односторонняя радиальная деформация початка, м;

н – деформация нижнего вальца, м;

нп – деформация направляющей поверхности, м;

При снятии оберток с початка сближение прижимного бараба­на и отры-вочных вальцов за счет деформации составило:

, (3)

где сн – сближение центров осей прижимного барабана и вальцов, м;

б – деформация прижимного барабана, м;

пp – деформация приводного вальца, м;

– угол давления, град.

В результате анализа полученных зависимостей установили, что деформация по­чатка в пределах упругости приводит к изменению формы поперечного сечения самого початка и пакета оберток и, соответственно, к увеличению площади контакта. Величина деформации початка и пакета оберток прямо пропорциональна напряжению. Она зави­сит от прочностных характеристик, жесткости, размеров початка и рабочих органов.

Аналитическое исследование деформации оберток дало возмож­ность оценить величину перемещения в радиальном и тангенциальном направлениях (рис. 2 и 3)

Рисунок 2 Силы, действующие Рисунок 3 Перемещения оберток при

на обертки при защемлении прокате початка в очистительном блоке

, (4)

(5)

где радиальная деформация оберток початка, м;

тангенциальная деформация оберток початка, м;

k1, k3, k4 коэффициенты, характеризующие углы давления 1, 2;

Р усилие прижатия початка к вальцам, Н;

rп радиус початка, м;

Е модуль упругости оберток, Па;

J момент сопротивления сечения слоя оберток, м4;

угол дуги между контактными точками, град.

Полученные выражения для перемещений d и спра­ведливы в интервале для угла от 0 до .

При воздействии разновеликими рабочими органами с центрами кривизн, отстоящими на различных расстояниях как друг от друга, так и от центра обрабатываемого початка, его поверх­ность деформируется и принимает сложную форму (рис. 4).

Рисунок 4 – Зависимость радиальной d (1) и тангенциальной (2) деформаций слоя оберточных листьев от угла с постоянными

Р = 175 Н, d = 50 мм, Е = 6,5108 Па и J = 4.510-10 м4

Определение угла затягивания початка в рабочую щель выполнено графо-аналитическим методом (рис. 5)

Рисунок 5 Схема затягивания початка в трехвальцовом очистительном блоке

, (6)

где угол затягивания;

rб радиус прижимного барабана, м;

d* зазор в очистительном блоке, м;

rп радиус початка, м.

Выражение (6) позволило определить угол затягивания, ко­торый образуется между рабочими органами и початком. Для приня­той схемы очистительного аппарата с учетом радиусов вальцов (rб = 0,175 м, rпp = 0,0355 м, rв = 0,028 м) были выполнены расчеты для значений зазора d*. В результате анализа полученных данных определили, что при зазоре между прижимным барабаном и плоскостью скольжения, равном диаметру початка, очистка последнего не проис­ходит, так как он только касается этих поверхностей.

Величина зазора DE = d* между очистительными вальцами и прижимным барабаном определялась по формуле:

, (7)

где rв радиус ведомого вальца, м;

; (8)

rпр радиус приводного вальца, м.

Длина дуги прижимного барабана, необходимая для очистки одного початка, составляла:

,

(9)

где длина дуги на участке загрузки початка в очистительный блок,

;

длина дуги, на которой происходит возвращение початка в исходное

положение

,

длина дуги прижимного барабана, на которой происходит съем

оберток, м;

длина дуги барабана, на которой располагается карман ,м;

где А1 коэффициент, учитывающий размерные характеристики початка;

длина дуги прижимного барабана нейтрального участка,

, м;

А2 – поправочный коэффициент, учитывающий перекатывание к карма-

ну очищенного початка.

Диаметр прижимного барабана определили как:

(10)

где d диаметр прижимного барабана, м;

nк число карманов на барабане, шт.

Время полного цикла обработки початка при съеме оберток составило:

, (11)

где T время обработки одного початка, с;

vб линейная скорость прижимного барабана, м/с;

кинематический коэффициент.

Производительность очистительного аппарата определили как:

(12)

где Q производительность очистительного аппарата, т/ч;

1 коэффициент использования очистительного аппарата;

m масса початка, кг.

Баланс мощности на съем оберток составил:

Nоч = Nдеф + Nпр + Nотр, (13)

где Nоч мощность на съем оберток пакетом, Вт;

Nдеф мощность на деформацию оберток, , Вт,

где Рв усилие поджатия ведомого вальца, Н;

Т время очистки одного початка, с;

f коэффициент трения качения пары валец-початок;

Nпр мощность на прокат оберток, ,Вт,

где Рб усилие прижатия барабана, Н;

Nотр мощность на отрыв оберток пакетом, ,Вт,

где Роб усилие отделения пакета листьев обертки, Н;

Т2 время съема пакета оберточных листьев, с.

Мощность электродвигателя для привода очистительного аппарата определена из выражения

, (14)

где мощность, необходимая для привода очистительного аппарата, Вт;

Nxxмощность холостого хода, Nxx = 0,25Nоч, Вт.

С учетом проведенных исследований, установили, что основными направлениями ресурсосбережения процесса очистки початков кукурузы являются:

разработка конструкции, принцип которой может быть использован как в линиях, так и для очистки малых партий початков кукурузы;

снижение материалоемкости за счет минимизации габаритов аппарата;

обеспечение устойчивости технологического процесса очистки початков за счет создания индивидуального рабочего пространства для каждого початка;

повышение надежности процесса за счет постоянного контакта початка с тремя поверхностями рабочих органов и обработки без продольного перемещения по рабочим органам;

рост энергонасыщенности процесса очистки в результате использования принципа съема оберток единым пакетом.

В четвертой главе даны программа и методика исследований процесса очистки початков кукурузы в трехвальцовом аппарате.

Исследование деформации оберток при прокате отрывочными вальцами проводилось методом моделирования процесса на лабораторной установке. Усилие прижатия от 85 до 550 Н создавалось в трехвальцовом блоке очистительного аппарата прижимным вальцом. Верхний предел усилия прижатия был меньше значения разрушающей силы початка.

При проведении исследований съема оберток использовались как стандартные резиновые втулки вальцов диаметром 71 мм, так и стальные вальцы с рифленой поверхностью диаметром 58 мм и гладкие диаметром 86 мм. В процессе исследований было установлено, что стальные гладкие не подходят для процесса съема оберток пакетом. Поэтому в дальнейшем использовались только вальцы с резиновыми втулками и рифленые.

Установлено, что при нагружении внешними силами початка происходит деформация в несколько этапов. Сначала деформируются листья обертки, затем наступает разрушение связи зерновок со стержнем, и они начинают выдавливаться, а затем происходит разрушение стержня початка. Сложность точного решения контактной задачи при одновре­менном действии на початок нормальных и касательных сил, заста­вила ограничиться ее приближенным решением. Основное допущение приближенного решения заключалось в том, что для нормальных сил сохранялся эллипсоидальный закон распределения по площади контакта, а касательные были пропорциональны нормальным. Отношение касательных к нормальным силам приняли ве­личиной постоянной, равной коэффициенту трения.

Влияние касательных сил сказывается в постепенном приближении точки с наибольшим ка­сательным напряжением из глубины к поверхности соприкасающихся тел и в росте величины этого напряжения параллельно с увеличени­ем значения коэффициента трения.

Расчетное значение полоски контакта без учета давления определили из выражения:

(15)

где Sn – полоска контакта вальца с початком, м2;

a – малая полуось эллипса контакта, м;

b – большая полуось эллипса контакта, м;

x – текущая координата малой полуоси эллипса контакта, м.

Экспериментально определили, что с увеличением давления со стороны рабочего органа на початок абсолютное уд­военное значение большой оси эллипса приближается к длине опор­ной поверхности початка. Так, если при на-

грузке 85 Н оно составляло 64% при контакте с обрезиненным вальцом и 44 со стальным, то при давлении 550 Н оно составляло 94% для обрезиненного и 76% для стального. Необходимо отметить, что на значение величины размеров контактной поверхности влияют также физико-механические свойства контактирующих тел. Резина более эластична, и ее показатели соизмеримы с показателями початка в обертке. За счет большей деформации обрезиненных поверхностей вальцов увеличивается поверхность контакта.

Что касается ширины полоски контакта, равной удвоенному значению длины малой оси эллипса, то она при увеличении давления от 85 до 550 Н удваивается, и это способствует более интенсивному «вспучиванию» обер-ток початков между точками давления.

Исследование давления и кинематики привода на процесс съема оберток пакетом позволило установить следующее. С увеличением поджатия початка от 52,5 Н при = 1,385 Н до 550 Н при = 0,72 количество оборотов вокруг оси, которое совершает початок при съеме с него оберток, уменьшается с 3,78 до 0,68. Необходимо отметить, что при = 1,385 и усилии 52,5 Н количество оборотов початка, совершаемое вокруг оси, колеблется от 12 до 1,5. Все это говорит о неустойчивости процесса. При этом некоторые початки, проходя через початкоочистительный аппарат, перекатыва­лись по вальцам и не освобождались от оберток. При = 1 отмечались слу­чаи, когда один или несколько листьев обертки закру­чивались вокруг початка, и в таком положении он про­должал вращаться, не освобождаясь от оберток. Технологический процесс съема оберток осуществляется в за­данном режиме, т. е. за один оборот (и меньше) початка вокруг своей оси при значениях

Эмпирические зависимости числа оборотов почат­ков вокруг своей оси от усилия поджатия к отрывочным вальцам в процессе проката в очистительном аппарате составили:

для ведомого обрезиненного вальца

при = 0,72 (16)

для стального рифленого вальца

при = 1,385 , (17)

при = 1,154 (18)

при = 1,0 (19)

при = 0,867 (20)

при = 0,72 . (21)

Уменьшение значения кинематического коэффи­циента с одновременным

усилением поджатия очищаемых початков к вальцам приводило к улучшению протекания технологического про­цесса. Сокращение числа оборотов початка при съеме оберток дало право сделать выбор в пользу режима = 0,72 и усилия поджатия початка P = 550 H. Это гарантировало уменьшение габари­тов аппарата и увеличение производительности при соблюдении исходных требований к очистке початков.

Усилия отделения листьев оберток определяли для приводного отрывоч­ного вальца с резиновыми втулками и ведомых стального рифленого и со

со стандартными резиновыми втулками.

Для стального рифленого вальца среднее значение величины разрыва составляло 52,61 Н, максимальное 158 Н, минимальное 25 Н.

Для вальца со стандартными резиновыми втулками среднее значение было 41,11 Н, максимальное 130 Н, минимальное 20 Н.

Таким образом, для процесса очистки предпочтительно сочетание вальцов с обрезиненной поверхностью и рифленых с шагом жилкования на листьях обертки.

Процесс съема оберток с початков полной спелости представлены на рисунках 6 и 7.

Уточнение основных параметров початкоочистительного аппарата выполнили методом планирования эксперимента. После реализации матрицы планирования были определены коэф­фициенты регрессии и получено уравнение:

(22)

Рисунок 6 а Рисунок 6 б Рисунок 6 в

Рисунок 6 г Рисунок 6 д

Рисунок 6 Съем оберток Рисунок 7 Очищенный

с початка полной спелости початок с пакетом снятых оберток

В результате предварительного анализа установлено, что основными факторами, влияющими на процесс очистки початков, являются усилие поджатия, кинематический коэффициент и коэффициенты трения. Поэтому был проведен полный анализ всех шести двумерных сече­ний поверхностей откликов, характеризующих качество очистки по­чатка по числу оборотов его вокруг своей оси при съеме оберток в зависимости от: прижатия к вальцам Р и кинематического коэффициента при коэффициенте трения f = 0,59, скорости вращения прижимного вальца v = 0,8 м/с и угле поворота осей = 0°; Р и f при = 0,95, v = 0,8 м/с и = 9,22°; Р и v при = 0,95, f = 0,59 и = 16,85°; и f при Р = 300 H, v = 0,8 м/с и = 9,21°; и v при P = 300 H, f = 0,59 и = 0°; f и v при P = 300 H, = 0,95 и = 45°.

В пятой главе рассмотрены теоретические предпосылки, позволяющие обосновать управляемость процессов и изменение некоторых физико-меха-нических характеристик початка кукурузы, с целью обеспечения выполнения исходных требований к молотильным аппаратам.

Изучение контактных напряжений, действующих при передаче усилий от рабочих органов молотильного аппарата на початок, необходимо для решения задачи сохранения целостности початка, зерновок и их зародышей, а также стержня при обмолоте.

При решении вопросов взаимодействия рабочих органов и початков исходили из основных положений клас­сической теории деформации тел в местах контакта. Вместе с тем учитывали и возникновение касательных нагрузок, связанных с относительным скольжением в процессе выделения зерновок.

Для обмолота початков кукурузы была разработана схема установки, представленная на рисунке 8. Установка обеспечивала захват початка, прокат его при сохранении целостности зерновок, попадающих в зазор между верхним и нижним вальцами, передачу в молотильный блок, деформацию початка и его обмолот с последующей разгрузкой молотильного блока.

Теоретические исследования возникающих упругих напряжений и перемещений зерновок выполнили для случаев контакта: 1) обмолачиваемого початка с прижимным вальцом и с направителем; 2) обрезиненной поверхности приводного вальца, рифлёного вальца и прижимного вальца с обмолачиваемым початком.

Приняв, что при деформации соприкасающих­ся тел первоначально точечный контакт переходит в контакт по достаточно малой эллиптической площадке, а силы давления между со­прикасающимися телами распределены по площади контакта по элли­псоидальному закону, получили выражение для определения перемещений зерновок при сжатии и эллипсоидальном распределении давлений: , (23)

где w перемещение зерновок при сжатии, м;

a большая полуось контурного эллипса, м,

; (24)

b малая полуось контурного эллипса, м,

, (25)

р0 наибольшее давление между соприкасающи­мися телами, Па,

, (26)

сближение соприкасающихся тел, м,

. (27)

Рисунок 8 Схема установки для обмолота початков:

1 приемный бункер; 2 распределитель початков; 3 горизонтальный дозатор вороха очищенных початков; 4 дозатор; 5 скатная доска; 6 направитель початков; 7 верхний молотильный валец; 8 нижний молотильный валец; 9 прижимной молотильный валец; 10 автомат управления; 11 регулирующий пружинный механизм; 12 блок пружин прижимного молотиль­ного вальца; 13 улавливающее устройство для зерна и стержней; 14 решета; 15 рама; 16, 17, 18 кронштейны

При обмолоте початка происходит непосредственный контакт рабочих органов с поверхностью зерновок. Нагрузка на початок, подлежащий обмолоту, намного больше, чем при очистке. Сближение контактирующих тел в этом случае определили как

. (28)

В результате анализа полученных результатов установили, что деформация по­чатка в пределах упругости приводит к изменению формы поперечного сечения самого початка и, соответственно, к увеличению площади контакта. Величина деформации початка прямо пропорциональна напряжению. Она зави­сит от прочностных характеристик, жесткости, размеров початка и рабочих органов.