3.3: Збирання та перевалка зерна
- Page ID
- 28726
Тім Стомбо
Біосистеми та сільськогосподарська інженерія
Університет Кентуккі
Лексінгтон, Кентуккі, США
| Ключові умови |
| Продуктивність | Ефективність | дисоціація |
| Продуктивність | функціональні процеси | Поділ |
| Якість | Заручини | Транспорт |
Змінні
Примітка про одиниці: У цьому списку змінних наведені розміри змінних. У тексті визначення змінних включають розміри, а також приклади одиниць СІ для ілюстрації.
Вступ
Однією з унікальних навичок, яку повинні розробити інженери біосистем, є здатність розуміти, як механічні системи взаємодіють з біологічними системами. Ця взаємодія дуже поширена при проектуванні машин та систем для збирання зернових культур, таких як кукурудза (кукурудза, зеа майс), соя (Glycine max), пшениця (Triticum) або ріпак (Brassica napus). Машини повинні пройти через поле на біологічно активному ґрунті, щоб залучити рослини, що ростуть у цьому полі. Мінливість властивостей рослин і ґрунтів (наприклад, зрілість, вміст вологи та структурна цілісність) у межах поля може бути великою. Ця мінливість представляє завдання для інженерів-конструкторів розробити машини, які можуть вмістити цю мінливість і забезпечити оператору машини гнучкість, необхідну для правильного залучення рослин. Мета цієї глави - закласти інженерну основу, необхідну для проектування систем машин для збирання зернових культур.
Поняття
Одним із ключів до того, щоб стати великим інженером, є здатність ідентифікувати та зрозуміти основну проблему, яку потрібно вирішити. Занадто часто інженери зосереджуються на вдосконаленні поточних рішень проблем, а не на пошуку кращих рішень. У разі збору врожаю зерна у інженера може виникнути спокуса зосередитися на способах вдосконалення зернового комбайна (рис. 3.3.1), який є машиною, яка найчастіше використовується для збирання зерна. Найбільш унікальні і креативні інженерні рішення часто приходять тільки тоді, коли інженер зосереджується на виявленні фундаментальної проблеми, яку потрібно вирішити.
При збиранні зерна основною проблемою є відновлення певної фракції або фракції рослин у зерновій культурі, яка вирощується на великих полах. Фракція, яку потрібно витягти, може змінюватися залежно від рослини та ситуації. Наприклад, у кукурудзі (кукурудза, зеа травня) урожай, наприклад, найбільш часто збирають рослинну фракцію - це ядро, яке використовується в різних продуктах, включаючи виробництво продуктів харчування, цукру та біопалива. Для свіжого ринку солодкої кукурудзи, весь колос відновлюється з лушпинням неушкодженою. У деяких системах тваринництва все вухо без лушпиння відновлюється на корм для тварин; в інших системах тваринництва вся рослина збирають і силосують на корм. У цих прикладах зрілість і вміст вологи в рослинному матеріалі можуть різко відрізнятися, якщо кукурудза відновлюється для виробництва цукру, кормів для тварин або споживання людиною. Ще одна проблема може існувати, коли кілька фракцій рослин збирають для різних цілей. Наприклад, у виробництві промислових конопель (конопель) насіння рослини можуть бути відновлені для виробництва олії або продуктів харчування, а стебла рослин можуть бути відновлені окремо для виробництва клітковини. Безліч виробничих потоків не буде незалежними один від одного і повинні враховуватися при проектуванні рішення механізації. Цей розділ присвячений системам, де відновлюється лише зерно.
Продуктивність
Продуктивність зернозбиральної машини або системи можна виміряти за допомогою трьох загальних показників: продуктивності, якості та ефективності.
Продуктивність
Продуктивність збиральної машини або операції - це показник того, наскільки корисна робота виконана. Як описано в стандарті ASABE EP496.3 (2015a), його можна кількісно оцінити за допомогою двох основних показників. По-перше, його можна виміряти на основі площі, вказуючи, скільки площі поля було покрито за одиницю часу. Ця метрика виражається як ефективна ємність поля (C a) і може бути розрахована як:
\[ C_{a}=swE_{f} \]
де C a = ефективна ємність поля в площі в одиницю часу (м 2 год −1)
s = швидкість поля на відстані за одиницю часу (m h −1)
w = ширина машини (м)
E f = ефективність поля (десяткова)
По-друге, продуктивність може вимірюватися на матеріальній основі, вказуючи, скільки зерна відновлюється за одиницю часу. Матеріальна місткість (С м) пов'язана з площею місткості:
\[ C_{m}=C_{a}y \]
де C m = матеріальна ємність у вазі або обсязі за одиницю часу (м 3 год −1)
y a = відновлений (зібраний) урожай у вазі або обсязі на одиницю площі (м 3 м −2)
| Товарний | Вміст вологи (%) |
Вага (фунт/бушель) |
Вага (кг/бушель) |
|---|---|---|---|
|
Кукурудза (Зеа травня) |
15.5 |
56 |
25.40 |
|
Соя (гліцин макс) |
13 |
60 |
27.22 |
|
Соняшник (Helianthus annuus) |
10 |
100 |
45.36 |
|
Пшениця (Triticum aestivum) |
13.5 |
60 |
27.22 |
Матеріальна ємність може бути повідомлена як на об'ємній, так і масовій основі з відповідним перетворенням щільності. У міжнародній торгівлі кількість зерна, як правило, повідомляється в метричних тонн. У виробництві зерна в США кількість зерна зазвичай вимірюється за допомогою одиниць бушелів. Хоча бушель технічно є виміром об'єму, рівним 35,239 л, у зерновому виробництві це одиниця, яка відображає стандартизовану вагу зерна при певному вмісті вологи, визначеному для цього зерна. Стандартизовані ваги зернового бушеля для деяких поширених культур наведені в таблиці 3.3.1.
Якість
Другим показником ефективності механізованої системи збирання зерна є якість продукції. В ідеалі продукт (зерно), який відновлюється, позбавлений будь-яких сторонніх речовин і пошкоджень, але це рідко буває. Дрібні шматочки рослинного матеріалу та інші сторонні речовини часто захоплюються разом із зерном. Техніка також може завдати фізичної шкоди зернам, коли вони проходять через різні механізми. Конструкція машини, а також умови врожаю та експлуатації можуть впливати на сторонні речовини та пошкодження, які часто в сукупності називають докажем. Термін докаж використовується тому, що виробники, як правило, несуть фінансовий штраф (стикуються деяку кількість) від ринкової вартості зерна покупцем, якщо зерно пошкоджене, містить надмірну кількість сторонніх речовин або не має належного вмісту вологи.
Ефективність
Третя міра продуктивності, ефективність, може бути кількісно оцінена двома способами. Перший - це ефективність поля на основі часу (E f), яка пов'язує фактичний час, необхідний для завершення польової операції, до теоретичного часу завершення, якби не було затримок, таких як поворот на кінцях поля, ремонт машин та перерви оператора. Ефективність поля розраховується як:
\[ E_{f} = \frac{T_{t}}{T_{a}} \]
де T t = теоретичний час завершення
T a = фактичний час завершення
Ефективність також може бути виміряна на основі повноти операції збору врожаю. Ця ефективність збору врожаю (E h) є мірою кількості бажаного продукту, який фактично відновлюється відносно кількості продукту, який спочатку був доступний для збиральної машини. Він розраховується як:
\[ E_{h} = \frac{y_{a}}{y_{p}} \]
де y a = фактичний урожай відновленого зерна вимірюється у вазі на одиницю площі (кг м −2)
y p = потенційний вихід зерна в полі, виміряний у вазі на одиницю площі (кг м −2)
Антитезою ефективності збору врожаю є втрата врожаю (L h), тобто кількість зерна, втраченого збиральною машиною на одиницю площі, виражена у відсотках від потенційного врожаю. Його можна обчислити як:
\[ L_{h} = 1-E_{h} \]
При орієнтуванні на збирання врожаю потенційним врожаєм вважається врожайне зерно, яке все ще прикріплюється до рослин. Потенційна врожайність не враховує зерна, які впали з рослин до того, як машина зачепить їх. Якщо збирання врожаю затримується після оптимального часу, потенційний урожай часто зменшується через природні сили, що спричиняють випадання насіння з рослин. Ця втрата врожаю (y ph) - це кількість зерна, яке втрачається до збору врожаю, виражене на основі площі. Це різниця між загальною врожайністю, яку фактично дали рослини (y t), та потенційним врожаєм:
\[ y_{ph} = y_{t}-y_{p} \]
Часто існують міцні взаємозв'язки між продуктивністю, якістю зерна та ефективністю збирання зерна. Наприклад, підвищення продуктивності може бути реалізовано за рахунок збільшення швидкості або ефективності поля; однак якість зерна та ефективність збору врожаю можуть бути порушені. Пошук фіскально оптимальної точки роботи є проблемою, яку повинні вирішити як інженер-конструктор, так і оператор машини. Інженер повинен розуміти потреби оператора та включити відповідну гнучкість управління в конструкцію машини.
функціональні процеси
Розглядаючи проектування будь-якої системи механізації, інженер повинен спочатку уважно розглянути потенційні процеси, які доведеться здійснити для виконання поставленого завдання. Srivastava et al. (2006) розширити ряд функціональних процесів, які можуть відбуватися при збиранні зерна. Ці процеси можна спростити до чотирьох основних процесів:
- • Залучайте урожай для встановлення механічного контролю зерна.
- • Роз'єднати або розірвати зв'язок між окремими зернами і рослиною.
- • Відокремте зерно від усього іншого рослинного матеріалу.
- • Транспортувати зерно до відповідного приймального об'єкта.
Залежно від конкретної системи ці функції можуть відбуватися в різному порядку, а деякі процеси можуть повторюватися кілька разів. Історично склалося так, що до того, як були розроблені мобільні зернові комбайни, процес збирання врожаю включав збір всього заводу з поля і транспортування його до центрального місця, де зерна відокремлювалися (обмолотили) від рослинного матеріалу вручну або за допомогою стаціонарної машини. За допомогою сучасних збиральних машин дисоціація та сепарація зерна здійснюється, коли машина рухається по полю, і єдиним матеріалом, який транспортується подалі від поля, є зерно. Так само деякі функції можуть виконуватися кілька разів. Наприклад, часто існує кілька етапів поділу в одній машині, і продукт може перевозитися кілька разів між різними механізмами, одиницями тимчасового зберігання та транспортними засобами, перш ніж дістатися до кінцевого пункту призначення.
Заручини
Процес залучення врожаю може відбуватися різними способами залежно від конкретної культури та конфігурації машини. Часто існує певний тип механізму, який буде захоплювати або тягнути стоячий урожай до машини, коли вона рухається вперед. Механізм захоплення може бути механічним, наприклад, обертовим важелем або ланцюгом, або він може включати інші сили, такі як пневматика або гравітація. Зачеплення може включати ріжучу дію, яка відриває частину рослини, що містить зерно, від решти рослини. Дії захоплення та різання зазвичай призводять до того, що матеріал потрапляє на деяку поверхню, де він може бути переміщений у машину.
дисоціація
Функція дисоціації процесу збирання зерна передбачає фізичне порушення зв'язку між бажаною частинкою та рослиною. Термін обмолот часто використовується для опису функції дисоціації, але в деяких контекстах обмолот також може включати деякі функції розділення та очищення. Продуктивність дисоціації збиральної машини кількісно оцінюється по молотильних втратах, L th, що є кількістю зерна, яке залишається пов'язаним з рослинами, вираженим у відсотках від загальної кількості зерна, яке було подано до молотильного механізму.
Інженери, що розробляють механізми для дисоціації зерна, повинні розуміти основні принципи розриву розтягування та згинання. Більшість зерен прикріплюються до рослини якимось стеблом і/або сполучною тканиною. Під сполучною тканиною часто можна розуміти циліндричний пучок сполучної тканини. Більшість механізмів дисоціації застосовують силу розтягування, силу вигину або комбінацію двох на насіння щодо рослини (рис. 3.3.2). Мета застосування сили - викликати збій сполучної тканини між зерном і стеблом або рослиною. Відмова відбудеться, коли напруга в сполучній тканині перевищує її граничну межу плинності, яка є напругою, при якій матеріал зламається. Очевидно, бажано, щоб нездатність дисоціації відбувалася якомога ближче до окремого зерна, щоб не було стебла чи іншого рослинного матеріалу, захопленого разом із зерном.
Розрив при розтягуванні - це режим, коли зерно витягується відразу від штока, поки з'єднання не вийде з ладу. Лінійна сила розтягування викликає напруження в сполучній тканині, яке можна обчислити за наступним рівнянням:
\[ \sigma_{t} = \frac{F_{t}}{A} \]
де σ t = напруження при розтягуванні в сполучній тканині, виміряне в силі на одиницю площі (N м −2)
F t = сила розтягування, що діє на сполучну тканину (N)
A = площа поперечного перерізу сполучної тканини (м 2)
Згинання руйнування відбувається при обертанні зерна щодо стебла, що викликає напругу вигину в сполучній тканині. Згинальну силу або момент (М) також можна розглядати як обертальний момент, застосований до зерна. Напруга вигину описується наступним рівнянням:
\[ \sigma_{b} = \frac{M_{y}}{I} \]
де σ b = напруга вигину в сполучній тканині, виміряна в силі на одиницю площі (N м −2)
M = сила вигину, що діє на сполучну тканину, виміряна в силі × відстані (N м)
y = перпендикулярна відстань до нейтральної осі (м)
I = площа моменту інерції перетину сполучної тканини в одиницях довжини до четвертого ступеня (м 4)
Момент інерції - величина, яка заснована на формі поперечного перерізу елемента і використовується для характеристики здатності елемента чинити опір вигину.
Напруження на вигин трохи складніше, ніж напруження при розтягуванні, оскільки напруга в елементі не є постійною через його поперечний переріз. Волокна далі від нейтральної осі вигину відчуватимуть більш високу напругу, що насправді може посилити дисоціацію.
Однією з проблем математичного опису несправності рослинних матеріалів є широка мінливість, яка може виникнути. На міцність сполучної тканини впливають три основні фактори, засновані на біологічних властивостях рослини. Перший фактор - розмір рослини. Деякі рослини в межах однієї культури можуть рости більшими за інші і можуть мати більше сполучної тканини між стеблом і зерном. Це відповідало б більшій площі та моменту інерції в рівняннях 3.3.7 та 3.3.8, що вимагатиме більшої сили для досягнення кінцевої напруги.
Другим фактором, що впливає на міцність сполучної тканини, є зрілість рослин. Більшість рослин втратять зерна природним шляхом, коли досягнуть зрілості як механізму розмноження. Математично ця природна дисоціація описується зниженням межі плинності сполучної тканини. Досить часто такий природний стан зрілості відповідає оптимальним термінам збирання зерна, однак не завжди вдається зібрати урожай саме в цей час. Тому міцність на відмову може значно відрізнятися залежно від фактичного часу збору врожаю.
Третім фактором, що впливає на міцність сполучної тканини, є вміст вологи. Міцні властивості рослинного матеріалу сильно різняться залежно від вмісту вологи. Інженерам необхідно розуміти ряд біологічних властивостей рослини, оскільки на них впливає вміст вологи. Наприклад, тургорний тиск у рослині - це тиск, який чиниться на стінки клітин у рослині вологою в клітині. У міру зниження тургорного тиску, що викликано зниженням вмісту вологи, рослини стають менш жорсткими. У деяких рослин це може послабити структуру рослини, полегшуючи дисоціацію, але в інших це може ускладнити дисоціацію зерна, оскільки рослинний матеріал був би більш еластичним. Залежно від погодних умов і сонячної інтенсивності тургорний тиск може сильно змінюватися протягом одного дня, впливаючи на дисоціацію врожаю.
Ще більше ускладнює математичне уявлення про силу рослин той факт, що між різними регіонами поля, між різними рослинами та навіть між різними зернами на одній рослині може бути значна мінливість розмірів рослин, зрілості та вмісту вологи. Інженерам необхідно розробити механізми, які враховують цю мінливість і надають операторам машин гнучкість для адаптації машини до різних умов.
Поділ
Після того, як зерна відділяються від рослини, їх необхідно відокремити від решти рослинного матеріалу та будь-якого іншого небажаного матеріалу. Цей небажаний матеріал називають матеріалом, відмінним від зерна (MOG). Продуктивність сепарації збиральної машини кількісно визначається втратою сепарації (L s), яка є кількістю вільного зерна, яке не може бути відокремлено від MOG, виражене у відсотках від загальної кількості зерна, яке було дисоційовано з рослин машиною.
Існує два основних принципи, які зазвичай використовуються для відділення зерна від MOG. Перший - механічне поділ за допомогою просіювання. Сито - це просто бар'єр з отворами правильного розміру, який дозволяє бажаним частинкам проходити, запобігаючи проходженню більших частинок, або навпаки, пропускають менші небажані частинки, зберігаючи бажані частинки. Деякі механізми просіювання зерна покладаються на гравітаційні сили на частинки, щоб змусити їх проходити вниз через сита отвори; інші використовують доцентрові сили обертових механізмів, щоб змусити частинки назовні через сита. Більшість гравітаційних механізмів просіювання викликають струшування або стрибаючий рух на матеріалі для посилення процесу поділу, полегшуючи рух частинок вниз через мат матеріалу, а також викликаючи рух матеріалу через сито.
Розглянемо ситову пластину, з'єднану з паралельно обертовими брусками, як показано на малюнку 3.3.3. Це класичний чотирибарний механізм зчеплення. Ситова пластина рухається по круговому малюнку, зберігаючи свою горизонтальну орієнтацію. Якщо конструкція довжини обертових важелів разом із швидкістю обертання правильна, матеріал відбивається збоку поперек пластини. Коли він відскакує, зерна рухаються вниз через мат матеріалу, потім через отвори відповідного розміру в тарілці. MOG рухається по тарілці і осідає з кінця сита.
Швидкість ситової пластини (v) можна обчислити за наступним рівнянням:
\[ v = r\omega \]
де v = швидкість ситової пластини (m s −1)
r = довжина обертової опори, або сполучної, руки (м)
ω = швидкість обертання плечей (радіани s −1)
Швидкість ситової пластини насправді є тангенціальною швидкістю обертових опорних важелів. Напрямок цієї швидкості змінюється синусоїдально в міру обертання штанг. Вертикальну (v v) і горизонтальну (v h) складові швидкості можна описати наступними рівняннями:
\[ v_{v} = v\ cos\theta \]
де θ = кутове положення плечей.
Відскакуючий рух частинки аналізується, враховуючи імпульс частинки по відношенню до рухомої вгору, але уповільнюючої, пластини, щоб визначити, чи і коли частка покине пластину.
Другий принцип, який використовується для відділення зерен від MOG - аеродинамічна сепарація. Досить часто частинки зерна щільніше і мають значно інші аеродинамічні властивості, ніж MOG, особливо більш легкі частинки листя і корпусу. Ці відмінності використовуються для відокремлення MOG від зерна.
Частинка, яка рухається через будь-яку рідину, в тому числі повітря, піддається силам тяжіння і опору (рис. 3.3.4). Гравітація діє вниз на частинку і виробляє силу, представлену:
\[ F_{g} = mg \]
де F g = сила тяжіння (N, або m кг s −2)
m = маса частинки (кг)
g = гравітаційна константа в одиницях довжини за одиницю часу в квадраті (9.81 m s −2)
Сила перетягування діє в протилежному напрямку руху частинки щодо повітря. Сила опору розраховується за допомогою:
\[ F_{d} = 0.5\rho_{air}v^{2}_{part}C_{d}A_{part} \]
де F d = сила опору (N, або m кг s −2)
ρ повітря = щільність повітря в одиницях маси на одиницю об'єму (кг м −3)
v part = швидкість частинки відносно повітря в одиницях довжини за час (m s −1)
C d = безодиничний коефіцієнт опору частинки
Частина = характерна площа частинки (м 2).
Рух частинки визначається векторною сумою двох сил і основним рівнянням руху:
\[ a = \frac{F_{r}}{m} \]
де a = прискорення частинки в напрямку результуючої сили (m s −2)
F r = результуюча сила на частинку (N, або m kg s −2)
Траєкторію частинки можна описати математично, інтегруючи рівняння прискорення один раз, щоб отримати рівняння швидкості, потім вдруге знайти позицію як функцію часу.
Коефіцієнт опору є функцією багатьох факторів частинок, включаючи її форму та текстуру поверхні. Багато частинок MOG, такі як лушпиння насіння та стовбурові частинки, мають більш неправильну форму та текстуру поверхні, ніж зерна, і, таким чином, матимуть більший коефіцієнт опору. Аеродинамічне поділ відбувається шляхом використання цих різниць опору, а також відмінностей у масі між зерном та частинками MOG. Частинки можуть бути відокремлені, якщо потік повітря направляється через мат зерна і MOG таким чином, що MOG спрямований за іншою траєкторією, ніж зерна.
Розглянемо повітряний потік, створений вентилятором, що дме прямо вгору при падаючій частинці. Якщо швидкість повітря збільшена до такої міри, що сила опору дорівнює силі тяжіння, частка буде підвішена в повітряному потоці. Швидкість повітря в цій точці - це, за визначенням, кінцева швидкість частинки. Якщо швидкість повітря збільшена, частинка буде рухатися вгору; якщо швидкість повітря зменшиться, частка буде рухатися вниз.
Розглянемо суміш частинок зерна та MOG, що скидаються через спрямований повітряний потік, як показано на малюнку 3.3.4. Якщо швидкість повітря встановити трохи нижче кінцевої швидкості зерен, їх траєкторія буде дещо змінена вправо, але вони продовжать рух вниз. Частинки MOG, які мають набагато більшу силу опору і відповідно нижчу кінцеву швидкість, будуть переноситися більше вгору і вправо повітряним потоком, що переміщує їх із потоку зерна.
Транспорт
Після того, як зерно дисоціюється та відокремлено від МОГ, його необхідно перевезти на приймальну станцію. Зазвичай це досягається в кілька етапів або етапів за допомогою різноманітних механізмів. Різні типи конвеєрів використовуються для переміщення зерна з однієї частини машини в іншу або з однієї машини на іншу. На різних етапах процесу зерно може зберігатися або перевозитися в різних контейнерах для сипучих вантажів.
Принципи, пов'язані з проектуванням або аналізом контейнерів для зберігання або транспортування навалом, - це перш за все міцність матеріалів. Проектувальнику в першу чергу потрібно визначити, які сили будуть виробляти на конструкцію зерном. Діаграми вільного тіла аналізуються для визначення величини і напрямку всіх сил. Однією з проблем при проектуванні зернозбиральної техніки є те, що машини часто мобільні. Коли машини рухаються по пересіченій місцевості, як правило, зустрічаються на сільськогосподарських полах, динамічні сили індукуються, коли навантаження зерна відскакує. Дизайнери, як правило, використовують різні методи для прогнозування максимальних динамічних навантажень, які можуть бути наведені на конструкцію.
Після того, як сили відомі, проектувальник визначає, які напруги наводяться в кожному елементі конструкції зерновим навантаженням. Напруга (σ) описує величину сили (F), що переноситься на одиницю площі (A) даного конструктивного елемента:
\[ \sigma = \frac{F}{A} \]
де σ = напруга в одиницях сили на одиницю площі (N m −2)
F = сила в члені (N)
A = характерна площа члена (м 2)
Напруга в будь-якій частині конструктивного елемента не може перевищувати межу текучості матеріалу або виникнуть постійні пошкодження (деформація). Але навіть якщо остаточна деформація не викликана в елементі конструкції, інженери все одно повинні бути стурбовані тим, наскільки конструктивний елемент згинається або прогинається. Прогин в елементі розраховується з деформації, яка становить:
\[ \epsilon = \frac{dL}{L} = \frac{\sigma}{E} \]
де ε = деформація (безрозмірна)
L = довжина члена (м)
E = модуль пружності, що повідомляється в силі на одиницю площі (N м −2)
Напруження і деформація пов'язані модулем пружності, також відомим як модуль Юнга. Чим нижче модуль пружності, тим більше відхилення викликатиме задана сила в елементі. Деякий прогин може бути хорошим у конструкції, особливо коли задіяні динамічні сили, оскільки це допомагає поглинати енергію, не викликаючи високих пікових навантажень. Наприклад, у випадку машини, що рухається по нерівному полю, деяке відхилення конструкції може поглинати частину енергії, викликаної нерівною місцевістю, і запобігти руйнуванню конструкції.
Для транспортування на меншу відстань можна використовувати кілька різних транспортуючих пристроїв. При проектуванні конвеєрних пристроїв конструктор в першу чергу стурбований потужністю пристрою та потужністю, необхідною для передачі матеріалу. Деякі з найпростіших транспортуючих пристроїв використовують лопатки або ковші, з'єднані з ланцюгами (рис. 3.3.5) для перетягування або транспортування зерна. Ємність лопатевих конвеєрів, яка є витратою матеріалу через конвеєр, розраховується просто за кількістю матеріалу, що перевозиться кожною лопаткою, і кількістю лопаток, які проходять точку за заданий проміжок часу:
\[ Q_{a} = Vn \]
де Q a = фактична витрата в обсязі за одиницю часу (м 3 с −1)
V = обсяг матеріалу, що перевозиться одним веслом (м 3)
n = кількість лопаток, які розряджаються за одиницю часу (s −1)
На обсяг матеріалу, який можуть переносити весла, впливає ряд параметрів. Властивості зерна, такі як форма частинок, розмір, поверхневе тертя та вміст вологи, впливають на форму купи зерна на кожному веслі. Нахил конвеєра обмежує розмір паль до того, як зерно пробіжить над верхньою частиною лопатки і назад вниз по конвеєру.
Іншим транспортуючим пристроєм, який зазвичай використовується при збирання та обробці зерна, є шнековий транспортер, широко відомий як шнек (рис. 3.3.6). Гвинтові конвеєри використовують безперервну гелікоїдну пластину, звану літаючою, прикріпленою до обертового валу. Продуктивність горизонтального шнекового транспортера, повністю заповненого зерном, - це об'єм, зміщений одним обертанням вала на кількість обертань за задану одиницю часу, який можна розрахувати за допомогою:
\[ Q_{t}=\frac{\pi}{4} (D^{2}-d^{2})P\omega \]
де Q t = теоретична витрата в обсязі за одиницю часу (м 3 с −1)
D = зовнішній діаметр польоту (м)
d = діаметр вала (м)
P = довжина кроку польоту (м)
ω = частота обертання вала (радіани s −1)
Коли конвеєр нахилений, політ більше не буде повним, оскільки зерно буде, як правило, ковзати вниз навколо польоту. Фактичний об'ємний витрата (Q a) можна розрахувати за допомогою:
\[ Q_{a}= Q_{t} \eta_{v} \]
де η v - об'ємний ККД конвеєра. Прогнозування об'ємної ефективності може бути дуже складним завданням, оскільки на нього впливають численні фактори, включаючи нахил конвеєра, швидкість обертання, вміст вологи в зерні, розмір частинок, тертя частинок до конвеєра та тертя частинок до частинки. Через цю складність математичне прогнозування зазвичай здійснюється за допомогою емпіричних зв'язків.
На потужність, необхідну для передачі матеріалу, впливають сили гравітації та тертя. Якщо зерно піднімається на будь-яку вертикальну відстань, конвеєр повинен подолати гравітаційну силу, протилежну цьому підйому. Потужність визначається як сила, прикладена на заданій відстані за задану кількість часу (сила × відстань/час). Силова і часова складові гравітаційного розрахунку потужності походять від швидкості потоку зерна через транспортер, вираженої в одиницях ваги в одиницю часу. Щільність зерна може бути використана для перетворення об'ємної витрати в масову витрату. Дистанційна складова потужності - це просто вертикальна відстань, на яку піднімається зерно. Гравіметричною складовою потужності є:
\[ P_{q} = Q_{a}\rho_{grain}h \]
де P g = потужність, необхідна для подолання сили тяжіння (Вт або Дж/с)
Q a = фактична об'ємна витрата зерна (м 3 с −1)
ρ зерна = щільність зерна (кг м −3)
h = висота, яку піднімають матеріал (м).
Тертя складова потужності може бути більш складною для обчислення. У випадку з лопатевим транспортером зерно повинно бути ковзане по дну поверхні конвеєра. Цю силу тертя іноді можна передбачити досить добре з коефіцієнта тертя між зернами і поверхнею конвеєра. Якщо цей коефіцієнт тертя стає занадто великим, сили, спричинені тертям на зерні на межі розділу між зерновою пасою та поверхнею конвеєра, призведуть до того, що зерна всередині палі почнуть рухатися відносно один одного. У цей момент стає важче математично описати енергію, необхідну для подолання цих сил внутрішнього тертя, а також поверхневого тертя.
Сили тертя в гвинтових конвеєрах аналогічні. Зерно в повному горизонтальному конвеєрі ковзає уздовж зовнішньої стінки конвеєрної труби так само, як і проліт, але не рухається так сильно всередині зернової маси. Оскільки конвеєр нахилений і він більше не повністю заповнений, кількість руху всередині зернової маси збільшується і стає більш критичною для оцінки.
Додатки
Найбільш поширеною машиною, яка використовується для збирання зерна, є сучасний зерновий комбайн (рис. 3.3.1). Комбайни, як правило, мають змінне кріплення на передній панелі, яке називається жаткою, яка охоплює урожай і пропускає певні частки цієї рослини в комбайн. Потім матеріал проходить через молотильний механізм, який дисоціює зерна від стебел рослин, а також виконує деяке відділення зерна від MOG. Потім зерно і MOG пропускають через різні розділові та очисні механізми. MOG, як правило, пропускається поздовжньо через машину і виганяється зі спини. Чисте зерно, як правило, рухається вниз через машину до уловлювального резервуара на дні. Звідти він переміщується вгору лопатевими і/або гвинтовими транспортерами до утримуючого бака у верхній частині машини. Великий гвинтовий конвеєр потім використовується для періодичного спорожнення вмісту утримуючої цистерни у вантажівку або інший транспортний засіб, який транспортує зерно на приймальну станцію.
Заручини
Насадки для жатки використовуються для залучення врожаю. Два найпоширеніші типи насадок жатки на зернокомбайни - зерновий стіл та кукурудзяна або рядова головка. Зернові столи (рис. 3.3.1) зазвичай використовуються в дрібних зернових культурах, таких як пшениця та соя. Вони, як правило, включають велику котушку збору, щоб залучити урожай і витягнути його в заголовок. Ріжучий механізм, як правило, серповидний брусок, розрізає завод, коли він втягується в жатку, щоб отримати механічний контроль зерна. Оскільки зернові столи можуть бути шириною 12 м або ширше, поперечні транспортери переміщують посівний матеріал з торців жатки до центру, де він подається в комбайн.
Висота зрізу залежить від врожаю та культурної практики операції. Процеси обмолоту і сепарації в комбайні найбільш ефективні, коли MOG, що надходить на комбайн, зведений до мінімуму. Наприклад, у сої насіннєві стручки можуть рости дуже низько на стеблі рослини; тому урожай потрібно зрізати біля землі, щоб запобігти втратам. У таких культурах, як пшениця, де зерна ростуть у голові на верхній частині стебла рослини, висота зрізу може бути достатньо низькою, щоб захопити всю головку, але мінімізувати кількість MOG, що передається в машину. Однак у деяких виробничих системах MOG може використовуватися для підстилки тварин або біоенергії. У цих випадках жатка експлуатується нижче, щоб збиралося більше МОГ, пропускалося через комбайн і відкладається у вузьку лінію, звану вітровим рядком, позаду комбайна. Вітрова може бути легко зібрана іншою машиною для збору біомаси в окрему операцію. Зрідка MOG збирається іншою машиною, наприклад прес-підбирачем, прикріпленою безпосередньо до комбайна (рис. 3.3.7).
У кукурудзи (кукурудзи) зерна виробляються ближче до середини рослини. Різання рослини для захоплення колосків для обмолоту означатиме введення великої кількості MOG в потік врожаю, що ускладнює продуктивність обмолоту та сепарації. Оскільки кукурудзу зазвичай вирощують рядами з інтервалом 0,5-0,75 м, головки кукурудзи будують пальцями, які проходять між рядами так, щоб кожен ряд кукурудзи міг займатися окремо (рис. 3.3.8). Довгі паралельні ролики з кожного боку ряду захоплюють стебла рослин нижче вуха і тягнуть їх вниз, коли машина рухається вперед. Пластини стриптизера над кожним валиком розставлені таким чином, щоб рослини проходили між ними вниз, а ось кукурудзяні колосся - ні. У міру того, як рослини витягуються вниз, у рослин відривають колосся. В ідеалі весь рослинний матеріал витягується вниз через жатку і не проходить в комбайн. Залежно від стану стебла відбудеться деяка поломка стебла та видалення листя, і цей MOG доведеться відокремити в комбайні. Ланцюги з пальцями над кожною пластиною стриптизера переміщують вуха і MOG назад в шапку. Поперечні транспортери потім переміщують матеріал з краю жатки в центр, де він подається в комбайн.
Одним із показників продуктивності будь-якої жниварки є її ефективність у збиранні всього зерна з поля в комбайн. Цей процес залучення ускладнюється тим, що зерна, як правило, природним чином відпадають з рослин легше, коли урожай знаходиться в оптимальному стані збору врожаю. Втрати жаткою називаються втратами на розбиття (Л ш). Вони кількісно оцінюються у відсотках від потенційної врожайності (у р), тобто наявної врожайності рослин.
На втрати розбиття впливають умови врожаю, включаючи зрілість і вміст вологи. На них також впливає конструкція і експлуатація жатки. Наприклад, швидкість збиральної котушки на зернових столах повинна бути підібрана до швидкості руху машини вперед. Якщо швидкість котушки занадто висока, рослини б'ються агресивно, в результаті чого зерна опадають з рослин, перш ніж вони можуть бути спіймані на платформі жатки. Якщо швидкість котушки занадто повільна, рослини можуть бути висунуті вперед, знову збиваючи зерна на землю, перш ніж вони увійдуть в жатку. Залежно від умов посіву, тангенціальна швидкість котушки, як правило, експлуатується щонайменше на 25-50% швидше, ніж швидкість вперед комбайна, щоб витягнути рослини в жатку. Деякі машини використовують датчики та електронні елементи управління для автоматичного регулювання швидкості котушки відповідно до швидкості руху машини вперед.
дисоціація
Функція дисоціації в комбайнів, як правило, здійснюється обертовими циліндрами, які називаються молотильними циліндрами. Існує дві основні конфігурації молотильних циліндрів, що відрізняються напрямком руху матеріалу по циліндру. Деякі циліндри встановлені своєю віссю обертання горизонтально і перпендикулярно поздовжній осі верстата. Матеріал надходить з одного боку циліндра і виходить з іншого (рис. 3.3.9). Бруски, орієнтовані уздовж зовнішньої сторони циліндра, труть рослинний матеріал об нерухомий корпус навколо зовнішньої сторони циліндра, який називається увігнутим. Дія розтирання впливає на дисоціацію зерна від рослин. Отвори у увігнутій частині полегшують дію просіювання, щоб відокремити частину зерна від довшого рослинного матеріалу.
Інша поширена конфігурація молоту має обертовий молотильний циліндр, встановлений паралельно поздовжній осі машини. Матеріал надходить в кінець циліндра і рухається по гвинтовій схемою навколо і повз циліндра (рис. 3.3.10). Подібні увігнуті конструкції навколо циліндра забезпечують опір потоку, щоб викликати функції дисоціації та розділення.
Ефективність обмолоту вимірюється процентним співвідношенням зерен, які дисоційовані з рослин, відсотком зерен, які пошкоджуються в процесі обмолоту, і кількістю розщеплення MOG. Надлишкова кількість дрібних частинок MOG може перешкоджати ефективності поділу, оскільки вони можуть бути невідрізнені від зерен у процесі розділення. На ефективність обмолоту і пошкодження зерна впливають властивості рослин, конструкція циліндра і увігнутих, а також експлуатаційні регулювання. Оператори машин часто в режимі реального часу контролюють швидкість циліндра, а також зазор між циліндром і увігнутим.
Поділ
Існує два різних типи систем сепарації, що використовуються в зернових комбайнів, які, як правило, пов'язані з двома типами молотильних пристроїв. Бічно орієнтовані молотильні циліндри, як правило, подають потік матеріалу на платформу вібраційного сепаратора, яку зазвичай називають солом'яним ходунком. Коливальна пластина - це, по суті, сито, що дозволяє більш дрібним частинкам, включаючи зерна, потрапляти через сито, коли MOG переміщується назад через машину.
На комбайни з осьово орієнтованими молотильними циліндрами, остання частина циліндра і увігнута здійснюють початкове поділ. Ці обертові сепаратори використовують доцентрові сили для відділення зерен назовні через увігнуті отвори.
Незалежно від початкової конфігурації сепаратора, більшість комбайнів пропускають зерновий потік, захоплений з молотильного агрегату і агрегату первинної сепарації, через додаткове багатоступеневе очисне сито. Пневматична сепарація також застосовується в цих ситах для посилення відділення зерна від MOG.
Транспорт
Очищений потік зерна транспортується з нижньої частини комбайна в утримуючий бак на верхній частині машини за допомогою комбінації лопатевого і шнекового транспортерів. Тримаючі баки змінюються за розміром в залежності від розміру машини. Залежно від врожаю та умов експлуатації бак комбайна можна було заповнити всього за 3-4 хвилини. У деяких операціях комбайн підганяють до краю поля, коли бак заповнений, щоб його можна було спорожнити у вантажівку для транспортування на приймальну станцію. Це часто вважається неефективним використанням дуже дорогої збиральної машини. Продуктивність збиральної операції максимальна, якщо комбайн можна експлуатувати якомога ближче до безперервно.
Комбайни можна вивантажувати під час збирання врожаю, якщо поруч з комбайном можна керувати приймальним транспортним засобом. Позашляхові вантажівки зазвичай не використовуються для цієї операції через їх відносно невеликих шин. Тяга в потенційно м'яких грунтових умовах обмежує їх рухливість. Також виникає занепокоєння щодо ущільнення грунту в полі. Важкі навантаження на невеликі шини ущільнять грунт під шинами, завдаючи шкоди, що позначиться на продуктивності майбутніх культур на полі.
Польові перевезення зерна часто здійснюють за допомогою зернового візка (рис. 3.3.11). Зернові візки - це великі транспортні цистерни, які зазвичай тягнуться великими сільськогосподарськими тракторами. І візок, і трактор будуть оснащені великими шинами або гусеницями для зниження тиску на грунт.
З використанням зернових візків виникає логістична проблема навколо найкращого способу отримати зерно від комбайна, щоб зберегти його збирання. Багато операцій використовують кілька комбайнів у полі одночасно. Менеджери повинні вирішити, скільки зернових візків потрібно, наскільки великі ці візки повинні бути, і скільки вантажівок потрібно, щоб отримати зерно з поля. В оперативному плані планування транспортних засобів - це завдання передбачити, які комбайни в багаторазовому флоті комбайнів повинні бути спорожнені, щоб вони не заповнилися і не стали непродуктивними.
Приклади
Приклад\(\PageIndex{1}\)
Приклад 1: Комбінація ефективності збору врожаю
Проблема:
Одним із способів оцінки ефективності збору врожаю комбайна є вимірювання втрат, які виникають при переміщенні комбайна по полю. Це можна зробити шляхом фізичного збору та підрахунку або зважування зерна, знайденого в різних місцях робочого простору комбайна.
Розглянемо комбайн на малюнку 3.3.12, який був зупинений під час збирання дуже рівномірного врожаю пшениці. Польові вимірювання проводилися в трьох різних місцях, як показано на малюнку. У кожній точці в якості репрезентативної тестової зони була обрана площа площею 1 м. У точці А перед комбайном всі стоячі рослини в тестовій зоні були ретельно вирізані та зібрані вручну, щоб визначити, скільки зерна було в наявності в полі. Після цього зерна, які лежали на землі в цій тестовій зоні, збирали і зважували. У точці B всі зерна, знайдені в тестовій зоні, були зібрані та зважуються. У точці С, яка виходить за межі траєкторії скидання матеріалу, що виганяється із задньої частини комбайна, коли він був зупинений, всі зерна збирали та зважували окремо тими, які ще були прикріплені до рослин, і тими, які були вільними. Нижче наведені дані, зібрані в кожному місці.
- Точка А:
- 335 г незібраного зерна
- 15 г вільних зерен (зерна, що лежать на землі)
- Точка B:
- 40 г вільного зерна
- Точка C:
- 63 г вільного зерна
- 14 г зерна, прикріпленого до рослини
Визначте ефективність збору, обмолоту та розділення цієї операції збору врожаю.
Рішення
Теоретична або потенційна врожайність, y p, врожаю - це врожайне зерно, яке все ще прикріплюється до рослин, коли комбайн бере його в зачеплення. У цьому прикладі потенційна врожайність базується на незібраному насінні в точці А.
\( y_{p} = \frac{0.335 \text{ kg}}{\text{m}^{2}} \cdot \frac{10000 \text{ m}^{2}}{ \text{ha}} = \frac{3350 \text{ kg}}{\text{ha}} = \frac{3.35 \ T}{\text{ha}} \)
Просте перетворення одиниць може бути виконано для перетворення метричної врожайності в загальні одиниці врожайності США бу/акр як:
\( y_{p} = \frac{3350 \text{ kg}}{\text{ha}} \cdot \frac{1 \text{ bu}}{27.22 \text{ kg}} \cdot \frac{1 \text{ ha}}{ 2.47\text{ acre}} = \frac{49.8 \text{ bu}}{\text{ha}} \)
Відзначимо, що розрахунок потенційної врожайності не враховує зерна, які випали з рослин до того, як машина їх задіяла. У цьому прикладі втрата врожайності перед збором врожаю, y ph, склала:
\( y_{ph} = \frac{0.015 \text{ kg}}{\text{m}^{2}} \cdot \frac{10000 \text{ m}^{2}}{\text{ ha}} = \frac{150 \text{ kg}}{\text{ha}} \)
У процентному співвідношенні від загального наявного зерна, передзбиральна втрата врожайності склала:
\( L_{ph} = \frac{150}{3350 + 150} \cdot 100 = 4.3 \text{%} \)
Зерно, яке було зібрано в точці Б під комбайном, включає втрати на руйнування, а також втрати перед збиранням. Втрати перед збиранням віднімаються із загального обсягу зерна в точці Б для визначення втраченого зерна, коли жатка займалася урожаєм. Втрата на розбиття, L ш, розраховується у відсотках від теоретичного виходу наступним чином:
\( L_{sh} = \frac{(40 \text{ g}-15 \text{ g})}{335 \text{ g}} \cdot 100 = 7.5 \text{%} \)
Втрати при обмолоті - це кількісна оцінка зерен, які не дисоціювалися від рослини. Ці зерна знаходяться в точці С, все ще прикріплених до рослинного матеріалу. Відсоток втрат при обмолоті базується на загальному зерні, яке фактично надходить на комбайн. У цьому прикладі втрати на розбиття знімаються із загального наявного зерна при розрахунку втрат на обмолот, L th, наступним чином:
\( L_{th} = \frac{14 \text{ g}}{(335 \text{ g}-25 \text{ g})} \cdot 100 = 4.5 \text{%} \)
Втрата сепарації - це обмолочене зерно, яке не видаляється з потоку МОГ і втрачається з задньої частини комбайна. Вільне зерно, зібране в точці С, включає втрати сепарації, а також втрати руйнування та врожайності. Тому втрати, обумовлені тільки поділом, L s, становлять:
\( L_{s} = \frac{(63 \text{ g} - 15 \text{ g} - 25 \text{ g})}{(335 \text{ g} - 25 \text{ g})} \cdot 100=7.4 \text{%} \)
Загальна втрата врожаю, L h, базується на всьому зерні, втраченому комбайном, яке становило б:
\( L_{h} = \frac{63 \text{ g} + 24 \text{ g} - 15 \text{ g}}{335 \text{ g}} \cdot 100 = 19\text{%} \)
Фактична зібрана врожайність, а, значить, становить:
\( y_{a} = \frac{3.35 \ T}{\text{ha}}- \frac{0.19(3.35 \ T)}{\text{ha}} = \frac{2.71 \ T}{\text{ha}} \)
Ефективність збору врожаю становить (Рівняння 3.3.6):
\( E_{h} = 1 -L_{h} = 1-0.19 = 0.81 \)
Це можна перевірити за допомогою рівняння 3.3.4:
\( E_{h} = \frac{y_{a}}{y_{t}} = \frac{2.71 \ T}{\text{ha}} \cdot \frac{\text{ha}}{3.35 \ T} = 0.81 \)
Розсудливий менеджер уважно вивчить ці показники ефективності врожаю, щоб визначити, чи заслуговують покращення. Для врожаю пшениці ці втрати, ймовірно, вважатимуться досить великими. Керівник може розглянути можливість коригування та/або експлуатаційних змін комбайна, які можуть зменшити втрати врожаю.
Приклад\(\PageIndex{2}\)
Приклад 2: Швидкість котушки
Проблема:
Однією з причин втрати розбиття з зерновими столами є неправильна швидкість барабана. Конструктори зернового столу повинні забезпечити достатню регулювання швидкості обертання котушки, щоб оператор міг компенсувати умови врожаю та швидкість руху вперед. Зокрема, дизайнеру потрібно визначити діапазон швидкостей, яких повинна бути в змозі досягти конструкція. Розглянемо таблицю зерна на малюнку 3.3.13, яка має барабан діаметром 1,3 м. Визначте діапазон швидкостей котушки, яких повинна бути в змозі досягти конструкція.
Рішення
Як згадувалося раніше, тангенціальна швидкість зачеплення пристроїв на кінці котушки, як правило, повинна бути 25— 50% більше, ніж швидкість комбайна вперед, v f. ASAE Standard D497.7 є чудовим ресурсом для робочих параметрів звичайної сільськогосподарської техніки. Таблиця 3.3.3 цього стандарту (частково передрукована як таблиця 3.3.2 цього розділу) вказує, що типова швидкість руху вперед самохідного комбайна коливається від 3,0 до 6,5 км/год. Мінімальна швидкість обертання котушки відбуватиметься з тангенціальною швидкістю котушки на 25% більше, ніж найповільніша швидкість вперед 3.0 км/год. І навпаки, максимальна швидкість відбуватиметься на 150% від 6,5 км/год. Тангенціальна швидкість, v t, обчислюється за допомогою рівняння 3.3.9:
| Ефективність поля | Швидкість поля | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Збиральна машина | Діапазон% | Типовий% | Діапазон миль/год | Типова миль/год | Дальність км/год | Типова км/год |
|
Кукурудза збирач шеллера |
60—75 |
65 |
2.0—4.0 |
2.5 |
3.0—6.5 |
4.0 |
|
Комбінат |
60—75 |
65 |
2.0—5.0 |
3.0 |
3.0—6.5 |
5.0 |
|
Комбінат (СП) |
65—80 |
70 |
2.0—5.0 |
3.0 |
3.0—6.5 |
5.0 |
|
Косарка |
75—85 |
80 |
3.0—6.0 |
5.0 |
5.0—10.0 |
8.0 |
|
Косарка (роторна) |
75—90 |
80 |
5.0—12.0 |
7.0 |
8.0—19,0 |
11.0 |
|
Косарка кондиціонера |
75—85 |
80 |
3.0—6.0 |
5.0 |
5.0—10.0 |
8.0 |
|
Косарка кондиціонера (роторна) |
75—90 |
80 |
5.0—12.0 |
7.0 |
8.0—19,0 |
11.0 |
|
Вітроочисник (SP) |
70—85 |
80 |
3.0—8.0 |
5.0 |
5.0—13.0 |
8.0 |
|
Бічні граблі доставки |
70—90 |
80 |
4.0—8.0 |
6.0 |
6,5—13,0 |
10.0 |
|
Прямокутний прес-підбирач |
60—85 |
75 |
2,5—6,0 |
4.0 |
4.0—10.0 |
6.5 |
|
Великий прямокутний прес-підбирач |
70—90 |
80 |
4.0—8.0 |
5.0 |
6,5—13,0 |
8.0 |
|
Великий круглий прес-підбирач |
55-75 |
65 |
3.0—8.0 |
5.0 |
5.0—13.0 |
8.0 |
|
Комбайн кормозбиральний |
60—85 |
70 |
1,5—5,0 |
3.0 |
2.5—8.0 |
5.0 |
|
Комбайн кормозбиральний (СП) |
60—85 |
70 |
1,5-6,0 |
3.5 |
2,5—10,0 |
5.5 |
|
Цукровий буряковий комбайн |
50—70 |
60 |
4.0—6.0 |
5.0 |
6,5—10,0 |
8.0 |
|
Картоплезбиральний комбайн |
55-70 |
60 |
1,5—4,0 |
2.5 |
2,5—6,5 |
4.0 |
|
Вибір бавовни (SP) |
60—75 |
70 |
2.0—4.0 |
3.0 |
3.0—6.0 |
4.5 |
\( v_{t} = r \omega \)
При мінімальній частоті обертання тангенціальна швидкість повинна бути:
\( v_{t} = v_{f}(1.25) \)
Поєднуючи рівняння, мінімальна частота обертання дорівнює:
\( \omega = \frac{v_{t}}{r} = \frac{v_{f}(1.25)}{r} = \frac{3 \text{ km}}{\text{hr}} \cdot \frac{1.25}{1} \cdot \frac{2}{1.3 \ m} \cdot \frac{1000 \ m}{\text{km}} \cdot \frac{1 \text{hr}}{60 \text{ mins}} \cdot \frac{1 \text{hr}}{2\pi} = 15.4 \ \text{rpm} \)
Звідси випливає, що максимальна частота обертання становить:
\( \omega =\frac{v_{t}}{r}=\frac{6 \text{ km}}{\text{ hr}}\cdot \frac{1.5}{1} \cdot \frac{2}{1.3 \ m} \cdot \frac{1000 \ m}{\text{km}}\cdot \frac{1 \ hr}{60 \text{ min}} \cdot \frac{1 \text{ rev}}{2\pi} = 36.7 \ rmp \)
Одиниці обертання додаються до розрахунків, відзначаючи, що радіани вважаються безроздільними, а в одному повному обороті є 2π радіани. Висновок полягає в тому, що система приводу для котушки на цьому зерновому столі повинна мати можливість досягати швидкостей, що варіюються від 15,4 до 36,7 об/хв, тому механізм приводу для котушки повинен бути сконструйований відповідним чином.
Приклад\(\PageIndex{3}\)
Приклад 3: Навантаження на вісь
Проблема:
Конструкція конструкції транспортного засобу в значній мірі спирається на розуміння впливу всіх сил на машину. Розглянемо двоколісний зерновий візок, що тягнеться трактором, як показано на малюнку 3.3.14. Завдання полягає в тому, щоб розрахувати необхідний розмір (діаметр) циліндричних осей для підтримки колісного вузла візка. Припустимо, що зерновий вантаж рівномірно розподілений в цистерні візка і що бак з боків симетричний, а значить, вантажі рівномірно розподілені між лівим і правим колесами візка. Крім розмірів, показаних на малюнку 3.3.15, виробник наводить наступні дані для дуже схожого візка:
- Місткість кошика: 850 бушелів кукурудзи (кукурудзи)
- Вага порожнього кошика: 54 кН
- Вага мови порожнього візка: 11 кН
Рішення
Через лівої/правої симетрії візка аналіз вільного кузова може проводитися в двох вимірах, дивлячись на бік машини (рис. 3.3.15). Два колеса візка матимуть однакові навантаження. Оскільки тягач витримує 11 кН ваги порожнього візка від язика в точці зчеплення (F ct), інша маса порожнього візка, яка становить 54 кН — 11 кН = 43 кН, повинна спиратися на колеса візка (F cw). З огляду на симетрію і рівномірні припущення навантаження, центр ваги зернового вантажу буде знаходитися в геометричному центрі бункера на візку. Відстань від точки зчеплення до центру ваги зерна, x g, становить:
\( x_{g}= 7 - \frac{5.5}{2}=4.25 \ m\)
Вага зерна становить:
\( F_{g}=\frac{850 \text{ bu}}{1} \cdot \frac{25.4 \text{ kg}}{\text{bu}} \cdot \frac{9.81 \text{ N}}{\text{ kg}} = 212 \text{ kN} \)
Візок і зерно повинні підтримуватися колесами візка і трактором в місці зчіпки. Ці сили представлені у вигляді сил реакції R w і R t (рис. 3.3.15). R w - загальна вага, яку повинні підтримувати колеса і осі візка, який можна розрахувати, підсумовуючи моменти про точку зчіпки між візком і трактором. Якщо обертання проти годинникової стрілки позитивне, це рівняння моменту:
\( R_{w}(4.6) - F_{cw}(4.6) - F_{g}(4.25) + F_{ct}(0)-R_{t}(0) = 0 \)
Зверніть увагу, що оскільки навантаження на язик і сила реакції проходять через точку зчеплення; відстань їх моментного плеча дорівнює нулю, і вони випадають з рівняння. Рівняння моменту тепер вирішується для R w:
\( R_{w} = \frac{F_{cw}(4.6 \text{ m}) + F_{g}(4.25 \text{ m})}{4.6 \text{ m}} = \frac{43 \text{ kN}(4.6 \text{ m}) + 212 \text{ kNn}(4.25 \text{ m})}{4.6 \text{ m}} = 240 \text{ k} \)
Оскільки коліс два, кожне колесо повинно підтримувати 120 кН.
При відомому навантаженні можна розрахувати діаметр циліндричної осі, необхідної для підтримки колеса. Вісь (рис. 3.3.16) являє собою консольну конфігурацію, так як жорстко закріплена на рамі на одному кінці. Спрощена конфігурація осі (рис. 3.3.16) показує, що сила реакції від колеса прикладається на 30 см від основи осі. Спускаюча сила візка та зерна біля основи осі та висхідна сила реакції від шини спричинить напругу вигину в осі. Згинальний момент становить:
\( M=Fd=120,000 \text{ N }\cdot 0.3 \text{ m}= 3600 \text{ Nm} \)
Максимальне напруження в осі не може перевищувати межу текучості матеріалу, що призвело б до остаточної деформації осі, погіршуючи її функціональність і міцність. Дизайнер повинен знати, який матеріал буде використовуватися для виготовлення осі, а потім визначити межу текучості для цього конкретного матеріалу. Можна проконсультуватися з низкою посібників з матеріалознавства та інших ресурсів, щоб знайти межу плинності різних матеріалів. Для цього прикладу припустимо, що буде використовуватися м'яка сталь. Межа плинності для м'якої сталі (σ y) можна знайти з ряду ресурсів, що дорівнюють 250 МПа. Зверніть увагу, що Па визначається як Н/м 2. Напруга вигину в осі дорівнює (Рівняння 3.3.8):
\( \sigma_{b} = \frac{My}{I} \)
Зверніть увагу, що y - відстань від нейтральної осі, яка є центром кругового вала. Максимальне напруження буде виникати у верхній і нижній частині осі. Рівняння моменту інерції для різних форм поперечного перерізу можна знайти в ряді інженерних посібників або підручників по міцності матеріалів. Для круглого перерізу момент інерції дорівнює:
\[ I = \frac{1}{4} \pi r^{4} \]
Підставляючи рівняння 3.3.21 рівняння 3.3.8, рівняння напруги вигину стає:
\( \sigma_{b} = \frac{4My}{\pi r^{4}} \)
Так як критична точка руйнування буде у крайніх волокон круглого перерізу, напруга буде розраховуватися при y = r. Крім того, напруга у цих крайніх волокон не повинна перевищувати межу плинності; отже,
\( \sigma_{y} = \frac{4M}{\pi r^{3}} \)
Тепер вирішуйте для r:
\( r^{3}=\frac{4M}{\pi \sigma_{y}} \ \cdot \frac{3600 \text{ Nm}}{1} \ \cdot \frac{m^{2}}{350 \times 10^{6} \text{ N}} \)
Розрахунковий мінімальний радіус - 2,6 см.
Будь-яке обчислене число або комп'ютерний вихід завжди повинні бути ретельно вивчені, щоб переконатися, що це розумний висновок. При цьому досвідченого інженера слід потурбуватися, що вісь радіусу 2,6 см здається незвично маленькою для великого зернового візка. Існує кілька факторів, які не були враховані при аналізі. По-перше, навантаженням на вісь була статична вага візка і зерна. Не було розгляду пікових динамічних навантажень, які були б індуковані, коли транспортний засіб переміщався по місцевості фермерського поля. Динамічний аналіз також повинен враховувати втомну напругу в матеріалі через багаторазове навантаження. Не враховувався коефіцієнт запасу міцності для компенсації невідповідностей у властивостях матеріалу осі або перевантаження візка оператором. Залежно від способу кріплення осі до рами можуть спостерігатися значні концентрації напружень на гострих кутах або зварних швах. Ці концентрації напружень зазвичай ідентифікуються за допомогою кінцево-елементного аналізу структури. Але навіть якщо катастрофічних поломок в механізмі не сталося, інженер повинен розглянути наслідки пружності осі. У цьому випадку надмірне пружне відхилення осі може призвести до того, що шина стане зміщеною, що може спричинити несприятливе відстеження візка або неприпустимий знос шини. Всі ці фактори повинні бути вирішені для досягнення остаточної конструкції, яка запобігає виходу з ладу і забезпечує правильну роботу.
Зображення Кредити
Малюнок 1. Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Типовий зерновий комбайн.
Малюнок 2. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Сили, що діють на зерно.
Малюнок 3. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Простий ситовий механізм.
Малюнок 4. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Перетягніть сили.
Малюнок 5. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Весловий конвеєр.
Малюнок 6. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Гвинтовий конвеєр.
Малюнок 7. Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Комбінат і прес-підбирач.
Малюнок 8. Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Рядок обрізки головки.
Малюнок 9. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Звичайний молотильний циліндр.
Малюнок 10. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Роторний молотильний циліндр.
Малюнок 11. Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Комбайн і зерновий візок.
Малюнок 12. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Об'єднайте тестові локації.
Малюнок 13. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Збір котушки.
Малюнок 14. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Трактор і візок для зерна.
Малюнок 15. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Сили на зерновозі.
Малюнок 16. Штампер, Д. & Стомбо, Т. (CC By 4.0). (2020). Конфігурація моста.
Посилання
Стандарти ASABE. (2015а). ASAE EP496.3 FEB2996 (R2015): Управління сільськогосподарською технікою. Сент-Джозеф, М.І.: ASABE.
Стандарти ASABE. (2015b). ASAE D497.7 MAR2011 (R2015): Дані управління сільськогосподарською технікою. Сент-Джозеф, М.І.: ASABE.
Шрівастава, А.К., Герінг, К.Е., Рорбах, Р.П., і Бакмастер, Д.Р. (2006). Інженерні принципи сільськогосподарських машин (2-е изд.). Сент-Джозеф, М.І.: ASABE.