Модернизация системы очистки зерноуборочного комбайна Енисей-950 (конструкторский раздел дипломного проекта)

Содержание

4. Конструкторская часть 
4.1 Обоснование предлагаемого устройства 
4.2 Анализ конструктивных особенностей элементов очистки и предлагаемого устройства в целом 
4.3 Процесс работы вариаторного узла 
4.4 Описание и расчет предлагаемого вариатора 



4. Конструкторская часть
4.1 Обоснование предлагаемого устройства
 Конструкторская разработка данного дипломного проекта обосновывается несовершенством конструкции воздушно-решетной очистки существующих отечественных зерноуборочных машин.
Воздушно-решетные очистки, как правило, оснащены двумя плоскими жалюзийными решетами с возвратно-колебательным движением в одном (двух) станах и устройством для улавливания необмолоченных колосьев.
В воздушно-решетных очистках отечественных зерноуборочных комбайнов мелкий зерновой ворох сепарируется с подбрасыванием его и обдувом в начале первого жалюзийного решета и разделением по размерам на втором жалюзийном решете с обдувом наклонным воздушным потоком. На зарубежных зерноуборочных комбайнах разделение мелкого зернового вороха по размерам происходит на первом и втором решетах с обдувом их воздушным потоком, а на некоторых очистках — с предварительным обогащением вороха в результате обдува его на перепадах или специальных каскадах.
В очистках используют различные вентиляторы (центробежные, аксиальные и диаметральные с воздуховодами, дефлекторами и регулируемыми направляющими щитками в выходной горловине вентилятора).
Необходимость повышения пропускной способности рабочих органов зерноуборочных комбайнов можно объяснить желанием сохранить современную производительность их и снизить потери зерна при неуклонном увеличении урожайности зерновых культур во всем мире. Однако увеличение пропускной способности зерноуборочных комбайнов за счет роста их габаритов и площадей сепараторов практически невозможно из-за дорожных, весовых и других существенных ограничений. Ранее ежегодное увеличение пропускной способности зерноуборочных комбайнов достигалось в результате частичных улучшений технологического процесса молотильно-сепарирующих устройств и повышения энергонасыщенности их ввиду роста мощности двигателей. Дальнейшее увеличение пропускной способности этих комбайнов возможно на основе интенсификации процессов работы отдельных рабочих органов (в частности, воздушно-решетных очисток) или использования новых более совершенных принципов обмолота и сепарации зернового вороха.
Удельная нагрузка на 1 м2 воздушно-решетных очисток зер-ноуборочных комбайнов достигает 3 кг/с и выше при содержании соломистых примесей в мелком зерновом ворохе 40...50% и более.
Толщина плотного слоя мелкого зернового вороха, перемещающегося по грохоту на первое жалюзийное решето очистки, достигает 300 мм.
Так как аэродинамическое сопротивление толстого слоя мелкого зернового вороха на воздушно-решетной очистке велико, то вынос половы и сбоины наклонным воздушным потоком, создаваемым вентилятором, без дополнительных воздействий невозможен.
С увеличением удельной нагрузки на первое жалюзийное решето воздушный поток смещается к его концу, что неблагоприятно для процесса разделения и сепарации вороха. Потери зерна за очисткой резко возрастают, начиная с определенной удельной подачи мелкого зернового вороха на решето, при которой слой вороха уже слабо взрыхляется воздушным потоком и колебаниями решета [5].
Аналитические технологические расчеты воздушно-решетной массы очистки сводятся в основном к вычислению по специальным алгоритмам отдельных численных значений показателей качества ее работы в определенных условиях на основании исходных (необходимых и достаточных) данных физико-механических свойств мелкого зернового вороха. Геометрические параметры очистки, расположение решет и характер воздушных потоков в данных каналах предполагается определять по реаль-ным образцам или их физическим моделям, так как аналитическое решение этих вопросов в условиях высшего учебного заведения невозможно.
То есть теоретически возможно изменение конструкций ходов потока воздуха, добавление каких либо подвижных дефлекторов или же задвижек, но фактически расчет подобного рода проводить будет необходимо сопровождая опытами.
Поэтому лучшим вариантом модернизации очистки комбайна послужит увеличение диапазона регулирования частоты вентилятора, так как это разрушит то скопление вороха, которое образуется в начале первого решета.
Так же данном дипломном проекте предлагается более эффективный метод управления вариатором посредством гидравлического цилиндра.

4.2 Анализ конструктивных особенностей элементов очистки и предлагаемого устройства в целом

Транспортная доска. Обладает наиболее стабильным конструктивным исполнением. Различия, свойственные комбайнам различных фирм и модификаций, в основном, заключаются в размерах, зависящих от мощности и компоновочной концепции комбайна. Существенные отличия характерны только для транспортной доски комбайнов серии ТS фирмы «New Holland». Чтобы при работе на склоне компенсировать сползание вороха вниз по уклону, перегородки (2, рис. ) в комбайнах этой серии можно устанавливать наискось по отношению к направлению движения, перемещая их задние концы в поперечном направлении.
Для облегчения очистки рифлёной поверхности транспортной доски от налипшей грязи и сырых растительных остатков фирма «Sатро Rosenlew» предусматривает в своих комбайнах возможность демонтажа её продольных секций (парами или по одной). Для осуществления этой операции со стороны удлинителя верхнего решёта секцию подцепляют специальным ключом на длинной ручке и вытаскивают назад, перемещая её по пазам каркаса транспортной доски (предварительно расстопорив). В комбайне «Меgа» фирмы «Сlааs» предусмотрена возможность демонтажа для очистки половины транспортной доски, то есть — трёх продольных секций.
Решёта. В системах очистки зерноуборочных комбайнов используют как плоские пробивные решёта, так и жалюзийные. Основой жалюзийного решёта служит каркас (5, рис. 6) прямоугольной формы, разделённый продольными рёбрами (8) на полосы шириной 220-250 мм.

Рис. 6. Принцип действия жалюзи решёта зерноуборочного комбайна:
а — жалюзи открыты на угол α1= 40°; б — жалюзи открыты на угол α2 = 20° 1 — ось жалюзи; 2 — гребёнка жалюзи; 3 — петля; 4 — рейка
В отверстиях несущих элементов каркаса установлены с возможностью поворота поперечные оси (1) жалюзи, представляющие собой круглые прутки диаметром около 4 мм. На оси (1) закреплены посредством контактной сварки штампованные гребёнки (2) из оцинкованного металла толщиной 0,4-0,5 мм (рис. 6). Длина каждой гребёнки соответствует ширине полосы между соседними парами рёбер (8, рис. 6). При этом гребёнки всех жалюзи решёта могут иметь либо одинаковые зубья, размещённые продольными рядами, либо жалюзи с разным шагом и величиной зубьев чередуются (комбайны завода Ростсельмаш). В этом случае, так называемое, «волновое» решето обеспечивает более равномерное распределение воздуха по всей его поверхности.
Ось (1, рис. 6) образует в средней части отогнутую вниз петлю (3). Петли всех жалюзи решёта входят в прорези продольной рейки (4), посредством перемещения которой можно изменять угол наклона всех гребёнок (2) одновременно. При перемещении рейки назад из положения, изображенного на рис.4.3, а, происходит поворот осей (1) по часовой стрелке и угол установки гребёнок (2) всех жалюзи а уменьшается. Одновременно уменьшается и величина щели t, предназначенной для прохода зерна. Степень открытия жалюзи (в пределах от 0° до 45°) приводят в соответствие с обмолачиваемой культурой. Например, при уборке зерновых жалюзи верхнего решёта открывают на 14-17 мм, а нижнего — на 8-10 мм. Для бобовых культур степень открытия верхнего решёта увеличивают в 1,4-1,5 раза, а нижнего — в 1,8-2,0 раза. На уборке семенников трав, наоборот, жалюзи верхнего и нижнего решёта прикрывают до угла 10-12° и 4-7°, соответственно. В ряде случаев нижнее жалюзийное решето целесообразно заменить плоским пробивным.
Оригинальная конструкция решёт разработана специалистами фирмы «Fendt». Зубчатые жалюзийные гребёнки чередуются с поперечными пластинами. При этом вершины наклонных зубьев резко отогнуты вперёд и вниз, образуя крючкообразные выступы.
Существует несколько способов управления рейкой (4). Часто снизу, непосредственно на задней поперечине каркаса решёта, закрепляют на оси рычаг, который может поворачиваться относительно неподвижного сектора и фиксироваться на нём в различных положениях («John Deere» серии 9000 WTS, «Fendt» серии Е). При повороте рычага рейка (4) перемещается внутри полости, образованной рёбрами (8) и кожухом (9, рис.), герметичность которой исключает возможность набивания в неё половы и сбой в работе механизма регулирования.
Для облегчения регулирования решёт поворотный рычаг с сектором может быть дополнен электрическим исполнительным механизмом («МF 7200 Сеrea», «Fendt 8300/8300 AL»). В этом случае степень открытия жалюзи решёт можно устанавливать и контролировать, не покидая кабины.
В ряде комбайнов механизмы регулирования вынесены на внешнюю сторону боковины молотилки в её задней части. В этом случае либо рычаги управления соединяют с рейками решёт поперечными тягами и двуплечими рычагами (комбайны семейства «Енисей»), либо рейка перемещается винтовым механизмом, соединённым с маховичком на боковине молотилки открытой конической передачей (комбайны завода Ростсельмаш).
При работе на склоне происходит перераспределение вороха по площади решёта в поперечном направлении. Часть поверхности оказывается свободной от вороха, в связи с чем, в этих зонах уменьшается сопротивление прохождению воздушного потока от вентилятора. В результате он перераспределяется в пользу открытых участков поверхности решёта, уменьшая степень обдува нагружённых ворохом участков. Количество примесей, поступающих в бункер, при этом резко увеличивается.
Проблема улучшения работы системы очистки на склонах решается несколькими путями. Большинство фирм («John Deere», «Fendt», «Massey Ferguson», «Deutz-fahr») практикуют поперечное выравнивание корпуса комбайна путём вертикального перемещения соответствующего ведущего колеса с помощью специальных гидроцилиндров.
Фирма «New Holland» установила на своих комбайнах серии ТS самовыравнивающуюся систему очистки, способную стабильно работать на склонах крутизной до 23%. В ней верхнее решето состоит из четырёх независимых продольных секций, имеющих индивидуальную (маятниковую) подвеску. При перекосе комбайна секции автоматически поддерживают горизонтальное положение поперечного профиля своей поверхности, трансформируя сплошную поверхность решета в ступенчатую. В связи с этим, каждая из четырёх продольных секций снабжена индивидуальным механизмом регулирования степени открытия жалюзи. На задних концах секций верхнего решета смонтированы пальцевые гребёнки — конструктивный элемент, отсутствующий в комбайнах других фирм.
Оригинальное техническое решение реализовала фирма «С/ада». При работе её комбайна «Меgа» на склоне гидравлический механизм дополнительно сообщает решету поперечные колебания. Их интенсивность зависит от крутизны склона. Стабильность работы такой системы очистки гарантирована на склонах крутизной до 20%. При этом предусмотрена возможность демонтажа половины решета (трёх продольных секций) для очистки и ремонта.
Удлинитель верхнего решета. Чаще всего удлинитель представляет собой дополнительное жалюзийное решето, длиной 15-25% от длины верхнего решета. Жалюзи удлинителя имеют регулировку, независимую от жалюзи верхнего решета. При этом в ряде конструкций предусмотрена возможность изменения угла установки удлинителя.
Жалюзи удлинителя могут иметь конструкцию, аналогичную жалюзи решёт («МF 3640/5650», «Меgа» и др.), либо отличаются, иногда существенным образом. Так, например, в комбайнах завода Ростсельмаш удлинитель снабжён двумя видами жалюзи с индивидуальной регулировкой каждой из групп. В начале удлинителя смонтированы зубчатые гребёнки, а в конце — плоские наклонные пластины.
В комбайнах фирмы «Fendt» вместо сложного чередования зубчатых гребёнок и пластин, свойственного для жалюзи их решёт, удлинитель снабжён набором обычных поперечных зубчатых гребёнок. В комбайнах серии «Optima 2000» фирмы «Sатро Rosenlew» поверхность удлинителя имеет пробивные отверстия с вытяжкой и отгибом подрубленных пластин вверх, по аналогии с конструкцией решётчатых поверхностей клавиш соломотряса.
Вентилятор. В очистках зерноуборочных комбайнов применяют три типа вентиляторов: радиальные (центробежные), диаметральные и осевые.

Рис. 7. Схемы радиального (а), диаметрального (б) и осевого (в) вентиляторов:
1 — колесо рабочее; 2 — кожух; 3 — перегородка поперечная
Центробежный вентилятор (рис.7, а) содержит рабочее колесо (1), помещённое в кожух (2), боковины которого снабжены окнами для забора воздуха. Его частицы, поступающие в зону оси вращения колеса (1), взаимодействуя с вращающимися лопастями, разгоняются до высокой скорости и, под действием центробежных сил, начинают перемещаться в радиальном направлении, скользя по поверхностям лопастей. Срываясь с края лопасти, частицы воздуха (по инерции и за счёт подпора его очередных порций) продолжают движение в сторону выходного окна улиткообразного кожуха.
Лопасти рабочего колеса могут иметь прямые и криволинейные поверхности. Кроме того, рабочие поверхности лопастей могут быть отклонены (относительно направления вращения) назад или вперёд (рис. , а). Отогнутые вперёд лопасти создают более высоко-давление. При этом криволинейные лопасти обеспечивают вентилятору более высокий КПД. Тем не менее, наиболее широко распространены в очистках зерноуборочных комбайнов вентиляторы среднего и низкого давления с прямолинейными отогнутыми назад лопастями.
Чаще всего рабочее колесо такого вентилятора имеет шесть лопастей (комбайны завода Ростсельмаш, «МF 7200 Cerea», «Fendt 8300/8350 АL»). Однако используются и многолопастные колёса с криволинейной поверхностью лопастей сложного профиля («Mega». «Claas» — 16 лопастей). При малом числе лопастей могут появляться зоны завихрения и разрывы потока. При большом количестве увеличиваются потери на трение в межлопастных каналах. Проблема стабильности напора по всей ширине очистки решается за счёт замены единого рабочего колеса несколькими колёсами меньшей ширины, размещёнными на общем валу, с обеспечением дополнительной площади забора воздуха из пространства между их торцами. Так, например, в комбайне «John Deere 9000 WTS» — вентилятор четырёх секционный, а в комбайне «Megа» — трёхсекционный.
Радикальным решением проблемы равномерности воздушного потока является использование диаметральных вентиляторов (рис. 4.4, б). Колесо с большим числом криволинейных, загнутых в сторону вращения лопастей, захватывает воздух в пределах радиального окна, открытого на угол у2 и проталкивает его в центральную, пустотелую часть. Под действием подпора и центробежных сил воздух вытесняется на периферию колеса и второй раз попадает на его лопасти с диаметрально противоположной стороны. В результате из зоны В он нагнетается в зону С выходного канала. Вследствие двукратного воздействия лопастей воздушный поток приобретает более высокую и равномерную скорость в выходном канале по сравнению с радиальными вентиляторами.
Диаметральные вентиляторы по габаритам меньше радиальных, но более энергоёмкие. Наибольшее применение они нашли в комбайнах аксиально-роторного типа («Challenger 660», «МF 9000», «Саse 2388»). Хотя есть опыт их успешного применения и в комбайнах с поперечно-поточной молотилкой («МF 3640/5650», «Deutz-fahr 5650-5690» и др.).
Вентиляторы осевого типа (рис. , в) применяются в зерноуборочных комбайнах крайне редко. В настоящее время их устанавливают на комбайн «Енисей-950». Два осевых рабочих колеса (1) нагнетают воздух в центральную часть кожуха (2), где при взаимодействии с поперечной перегородкой (3) поток совершает поворот на 90° и поступает в воздушные каналы очистки. КПД у осевых вентиляторов выше, чем у центробежных и диаметральных, но они устойчиво работают только при высокой точности изготовления корпусов и рабочих колёс. Зазор между ними не должен превышать 0,2—0,3% внешнего диаметра колеса. Гибридом вентилятора осевого и центробежного типа является вентилятор «Dual-Flo» фирмы «John Deere».
Вне зависимости от конструкции вентилятора интенсивность воз-душного потока чаще всего регулируют путём изменения частоты вращения рабочего колеса. Так, например, в комбайнах семейства «Енисей» частота вращения вала вентилятора варьирует в пределах 634-1852 мин-1, в комбайнах завода Ростсельмаш — 340-1185 мин-1. В комбайне «Сase 2388», оборудованным вентилятором диаметрального типа, этот параметр варьирует в пределах 450-1250 мин-1 [8].
Регулировку осуществляют посредством стандартного клиноремённого вариатора с гидравлическим управлением. Исполнительный механизм вариатора может быть также выполнен в виде винта, проворачиваемого вручную (комбайны семейства «Енисей»), либо аналогичный винт приводится во вращение электромотором (большинство комбайнов). В первом и в последнем случае регулировка осуществляется непосредственно с рабочего места комбайнера.
Существенным недостатком имеющегося вариатора комбайна Енисей-950 является его регулировка: механическим способом и более того в ручную, необходимо останавливать контрпривод, комбайнеру пройти проконтролировать потери за комбайном и чистоту зерна в бункере, после этого уже производить регулировку ведущего шкива вариатора в сторону либо увеличения либо уменьшения частоты вращения вала вентилятора. Сложность и муторность настройки выливается в то, что комбайнер раз выставив определенную частоту вентилятора - больше не будет производить столь долгую регулировку, что дает о себе знать на качестве зерна и качестве уборки.
Поэтому предлагается внедрить датчики потерь и бортовой компьютер, а сам привод вентилятора и его диапазон пересчитывается ниже

4.3 Процесс работы вариаторного узла
Зерно сходит с очистки и с соломотряса об этом сигнализируют пьезоэлектрические датчики на расположенный сзади модуль потерь. Тот в свою очередь дает импульс на бортовой компьютер, который обрабатывает результаты всех датчиков, и на основе проработанных, вложенных программ и алгоритмов дает сигнал на исполнительный механизм-цепочку – электрогидравлический распределитель и гидроцилиндр на вариаторном узле вентилятора. Скорость ведомого шкива увеличивается или уменьшается, в зависимости от показания датчиков потерь.
Принцип действия клиноременного вариатора с дистанционным управлением основан на синхронном изменении рабочих диаметров ведущего ведомого шкивов в процессе их вращения при помощи гидроцилиндра рис. 8.
Подвижные диски установлены с противоположенных сторон, чтобы при изменении из положения плоскость движения ремня оставалась перпендикулярной осям вращения шкивов.


Рис. 8. Гидроцилиндр управления вариатором
1 – шток запорного клапана; 2 – уплотнительное кольцо; 3 – пробка; 4 – втулка; 5 – манжета; 6 – замковая шайба; 7 – упорное кольцо; 8 – шток гидроцилиндра.
Привод вентилятора осуществляется при помощи клиноременных передач (рис. 9)


Рис. 9 . Схема привода вентилятора.
1 – шкив вентилятора; 2 – клиновые ремни; 3 – вариаторный узел.
Расчет вентилятора сводится к тому чтобы увеличить диапазон регулирования, значит необходимо рассчитать привод, потом собственно сам вентилятор, ну а после рассчитать оси на напряжения и действующие силы.






4.4 Описание и расчет предлагаемого вариатора
Вариаторный узел комбайна Енисей-950 состоит из двух осей и расположенных на них парных раздвижных конусных шкивов. На оси ведущего шкива расположен исполнительный механизм – гидроцилиндр, а основными элементами вариатора являются ведущий и ведомый шкивы, а также бесконечный клиновой ремень. Каждый из шкивов состоит из пары раздвижных конусов. Когда ведущую пару раздвигает гидроцилиндр, другая сдвигается. При этом ремень так перемещается в конусах, что рабочий радиус одной пары уменьшается, а другой - увеличивается. За счет этого изменяется передаточное отношение вариатора и осуществляется регулирование частоты вращения при неизменной частоте вращения ведущего шкива.

Рис. 10 Схема привода вентилятора
1 – шкив вентилятора; 2 – шкив ведущий вентилятора; 3 – шкив ведомый вариатора; 4 – шкив ведущий вариатора; 5 – шкив; 6 – вентилятор.
Определим диапазон клиноременной передачи на основе минимальных и максимальных оборотов вентилятора:
n_min=643 〖мин〗^(-1); n_max=1852 〖мин〗^(-1) [9].
D=n_max/n_min
D=n_max/n_min =1852/643=2.88
Так как вариаторный узел расположен не на последней передаче (см. рис. 10) рассчитываем окружную скорость и обороты ведущего шкива 2 клиноременной передачи на вентилятор, он же ведомый шкив вариатора 3 (рис. 11).
Для начала посчитаем скорость v_2 на ведомом валу для максимальных оборотов:
v_1=(π∙D_1∙n_1)/(60∙1000) м/с,
n_2 – обороты ведомого шкива, 〖мин〗^(-1);
D_2 – диаметр ведомого шкива, мм.
v_2=(π∙D_2∙n_2)/(60∙1000)=(3,14∙188∙1852)/(60∙1000)=18,22 м/с