Анализ работы режущего аппарата

Цель анализа – изучить процесс резания стеблей режущими аппаратами с различными типами механизмов привода. Для этого необходимо:

1) Установить закономерности изменения скорости перемещения сегмента режущего аппарата;

2) Определить рабочие скорости резания хлебной массы лезвием сегмента и сравнить с допустимой;

3) Построить графики траекторий перемещения сегментов режущих аппаратов и графики пробега активной части лезвия;

4) Построить диаграммы высоты стерни для стеблей, расположенных:

− по линии m – m −у кромки противорежущей пластины пальца (рисунок 6.4);

− по линии m ₁– m ₁, смещенной относительно этой кромки на некоторое расстояние (рисунок 6.5).

Современные зерноуборочные комбайны снабжены однопробежными режущими аппаратами нормального резания с одинарным ходом ножа, у которых шаг сегментов t и шаг пальцев t _о равны между собой, т. е. t = t _o = 76,2 мм. При этом ход S ножа равен

S = k t = k t ₀, (6.1)

где k = 1 – для комбайнов типа СК - 5А «НИВА»;

k = 1,115 – для комбайнов КЗС - 7 и «ЛИДА-1300»;

k = 1,155 – для комбайнов «ДОН - 1200» и «ДОН - 1500».

Параметры сегментов и противорежущей части (пластины) пальца режущего аппарата приведены в таблице 6.1.

Для комбайнов «ДОН» активная кромка лезвия сегмента

h = b − (f + m), (6.2)

где m – неактивная часть кромки лезвия сегмента.

Таблица 6.1 − Размерные характеристики сегментов и противорежущей

части (пластины) пальца режущего аппарата

Марка комбайна	Размеры, мм
t	l	b	f	b ₂	b ₁	h	S	m
СК – 5М
«ДОН – 1500», «ДОН – 1200»
КЗС – 7, «ЛИДА - 1300»

а) б)

Рисунок 6.1 – Детали режущей пары:

а – сегмент; б – противорежущая пластина пальца

На комбайнах установлены различные по конструкции механизмы привода ножа:

− СК- 5А «НИВА» – кривошипно-шатунный;

− «ДОН - 1200» и «ДОН - 1500» – механизм качающейся шайбы;

− КЗС - 7 и «ЛИДА - 1300»– механизм Шумахера.

Каждый из этих механизмов привода имеет отличительные особенности в закономерности скорости перемещения ножа.

Исходные данные:

− размеры сегмента и противорежущей пластины пальца;

− шаг сегментов t, шаг пальцев t _о и ход S ножа;

− рабочая скорость машины V _м, м/c, определенная из условия обеспечения максимальной загрузки рабочих органов;

− частота вращения вала кривошипа n _н, частота вращения или колебаний вала соответствующего механизма привода ножа (приложение В);

− закономерность изменения скорости движения ножа.

6.1 Режущий аппарат с использованием кривошипно-шатунного механизма (КШМ) привода (СК - 5А «НИВА»).

Для этого типа привода ножа k = 1. Тогда:

−ход ножа

S = t = t ₀ = 76,2 мм. (6.3)

− скорость перемещения ножа

u _н= ω √ r ² – x ² = ω y. (6.4)

6.1.1 Определение скорости начала и конца резания (рисунок 6.2).

Так как процесс резания происходит по принципу ножниц, то начало резания осуществится в момент встречи точки A лезвия АВ с противорежущей пластиной пальца в точке A ₁(лезвие займет положение А ₁ В ₁). При дальнейшем движении сегмента вправо режущая кромка, соприкасаясь с противорежущей пластиной пальца, будет защемлять растения и перерезать их. Резание закончится, когда точка B лезвия сегмента встретится с противорежущей пластиной пальца в точке B ₂, а лезвие сегмента АВ займет положение А ₂ B ₂.

Скорость начала и конца резания:

− в принятом масштабе на расстоянии S по оси x нанести оси симметрии пальцев и сегментов ()рисунок 6.2);

− согласно данным, приведенным в таблице 6.2, нанести противорежущие пластины пальцев и сегменты режущего аппарата;

− обозначить режущие кромки AB и A ₃ B ₃ сегментов;

Рисунок 6.2 –Определение скорости резания

для режущего аппарата с кривошипно-шатунным приводом

− обозначить положение точек А – начала координат xAy и 0 – центра полуокружности;

− радиусом r = S / 2 провести полуокружность;

− переместить режущую кромку AB в положение A ₁ B ₁.

− из точки A ₁ восстановить перпендикуляр до пересечения с окружностью в точке k ₁;

− обозначить ординату y _н и соответствующее ей перемещение x _н – начало резания;

− переместить режущую кромку A ₁ B ₁в положение A ₂ B ₂;

− из точки A ₂ восстановить перпендикуляр до пересечения с окружностью в точке k ₂;

− обозначить ординату y _к и соответствующее ей перемещение x _к – окончание резания;

− нанести перемещение x _н ножа до начала резания, x _к – в конце резания и x _р – в течение процесса резания;

− замерить ординаты y _н и y _к, определить скорости начала и окончания резания

V _{р н} = ω y _н и V _{р к} = ω y _к. (6.5)

Сравнить полученные значения скорости резания V _{р н}и V _{р к} с допустимыми (V _р≥ 1,5 м/с).

6.1.2 Построение траектории абсолютного движения точек ножа. Сегменты ножа режущего аппарата во время движения комбайна участвуют в двух видах движения – относительном по отношению к пальцам жатки и переносном вместе с комбайном.

Для построения:

− разделить полуокружность на части (не менее 6) и обозначить точки 1; 2; 3…6 (рисунок 6.3);

− определить величину перемещения машины за один ход ножа – подачу на нож

L = (π V _м) / ω = (30 V _м) / n; (6.6)

Рисунок 6.3 – Построение траектории абсолютного движения точек сегмента режущего аппарата с кривошипно-шатунным приводом

− отложить на оси ординат A ₂ z (по направлению движения комбайна)величину подачи L на нож и разделить ее на 6 частей (что и полуокружность), обозначив соответственно точки 1¢; 2'; 3'...6';

− провести из точек 1; 2; 3…6 на полуокружности вертикальные линии, а из точек 1¢; 2'; 3'...6' – горизонтальные до их взаимного пересечения в точках, которые и будут промежуточными точками траектории;

− соединить точки кривой, которая представляет собой траекторию перемещения точек активной части лезвия сегмента ножа (А–А₁);

− соединить этой траекторией точки В и В ₁.

Траекторию использовать при построении графика пробега режущей кромки сегмента с кривошипно-шатунным приводом (рисунок 6.4).

6.1.3 Построение графика пробега активной части лезвия сегмента и диаграммы высоты стерни.

Для кривошипно-шатунного привода ножа шаг сегментов t, шаг пальцев t _о и ход S ножа равны между собой – 76,2 мм (таблица 6.1). Величина перемещения L машины за один ход ножа определяется по формуле 6.5.

Вычертить график пробега активной части лезвия сегмента:

− на расстоянии S провести осевые линии перемещения двух соседних пальцев режущего аппарата и ширину противорежущей пластины;

− вычертить четыре (I, II, III, IV) положения сегмента на расстоянии L друг от друга;

− используя шаблон траектории абсолютного перемещения точексегмента (рисунок 6.3), соединить крайние точки соответствующих режущих кромок сегмента;

− определить графически величину угла θ (направление отгиба стеблей), для этого отложив по горизонтали π R, а по вертикали – L;

− отметить точки a, b, c, d, e пересечения траекторий с линией m – m;

− предполагая, что срезаются стебли, растущие по линии m – m, графически определить отгибы: поперечный – q ₂ и максимальный продольный – q ₃.

Рисунок 6.4 – Построение графика пробега активной части лезвия сегмента

и диаграммы высоты стерни для стеблей, растущих по линии m – m

Из графика пробега активной части лезвия сегмента следует, что стебли, которые расположены на отрезках ab и de срезаются режущей кромкой AB сегмента без отгиба у противорежущей пластины правого пальца при прямом ходе ножа (слева направо − соответственно из положения I в положение II и из III в IV). Стебли, расположенные на отрезка bc, отгибаются режущей кромкой CD сегмента при обратном ходе ножа (справа налево − из положения II в положение III) и срезаются с поперечным отгибом q ₂ у левого пальца.

Стебли, расположенные на отрезке cd, отгибаются пальцевым брусом вперед по ходу комбайна и срезаются в точке d с разным по величине продольным отгибом, максимальная величина которого равна q ₃. При каждом последующем ходе ножа картина изменения высоты стерни будет циклически повторяться.

Построение диаграммы высоты стерни (рисунок 6.4). Для этого:

− провести линию, соответствующую поверхности поля;

− из точек a, b, c, d и e провести линии до пересечения с поверхностью поля;

− на участках ab и de высота среза соответствует высоте установки режущего аппарата – h (срез осуществляется без отгиба – q = 0);

− для определения высоты стерни при срезе стеблей с отгибом, расположенных на участке bc, отложить величину поперечного отгиба q ₂ и определить высоту стерни;

− для определения величины отгиба на участке cd отложить величину продольного отгиба q ₃, разделив на несколько равных по величине частей, и определить высоту стерни с учетом переменной величины отгиба.

Стебли, растущие в треугольнике cdk, срезаются в точке d с разными отгибами при перемещении сегмента из положения III в положение IV.

Для определения величины отгиба стеблей, расположенных на линии m ₁ – m ₁ (рисунок 6.5), необходимо:

− на графике пробега активной части лезвия сегмента между режущими кромками левого и правого пальцев провести линию m ₁ – m ₁;

Рисунок 6.5 – Построение графика пробега активной части лезвия сегмента

и диаграммы высоты стерни для стеблей, растущих по линии m ₁ – m ₁

− обозначить точки a ₁, b ₁, c ₁, d ₁, e ₁ пересечения траекторий с линией m ₁ – m ₁;

− графически определить отгибы этих стеблей при срезе: поперечные – q ₂₁ и q ₂₂ и максимальный продольный – q ₃.

Стебли, которые растут на отрезках a ₁ b ₁ и d ₁ e ₁, отгибаются режущей кромкой AB сегмента и срезаются с поперечным отгибом q ₂₁ у противорежущей пластины правого пальца при прямом ходе ножа. Стебли с отрезка b ₁ c ₁ отгибаются режущей кромкой CD сегмента при обратном ходе ножа и срезаются с поперечным отгибом q ₂₂ у левого пальца. Стебли с отрезка c ₁ d ₁ срезаются в точке d с разным по величине продольным отгибом, максимальная величина которого равна q ₃.

6.1.4 Большинство стеблей срезаются с некоторым отгибом от вертикального положения. В результате высота стерни получается больше высоты установки режущего аппарата над поверхностью поля.

Потери возможны, если высота стерни больше или равна минимальной длине стеблестоя

L _min ≤ l _ст_max, (6.7)

где l _ст– высота стерни (определить из диаграммы (рисунки 6.4, 6.5) или аналитически по нижеприведенным выражениям);

L _min – минимальная длина стеблестоя.

Высота стерни для второй и третьей (максимальное значение) зон отгиба

l _ст₂ = √ h ² + q ₂² и l _ст₃ = √ h ² + q ₃²_max, (6.8)

где h – высота установки режущего аппарата относительно поля;

q ₂и q ₃_max – соответственно значение поперечного и максимального продольного отгиба стеблей (рисунки 6.4 или 6.5).

Сравнить полученные расчетные значения l _ст3и l _ст3 с построением.

Предельная высота h _пр установки режущего аппарата должна соответствовать условию: минимальная длина (l _ср_min) срезанных стеблей должна быть больше или равна максимальной высоте стерни

l _ср_min ≥ l _ст_max. (6.8)

Предельно допустимый отгиб q _пр (приняв l _ст = L _min)

q _пр= √ L ²_min − h ². (6.9)

Сравнить полученный результат с величиной отгиба q ₂и q ₃_max, и сделать заключение об их соответствии и, при необходимости, дать предложения по выполнению необходимых условий выполнения технологического процесса работы рабочих органов жатки.

6.2 Режущий аппарат с использованием в приводе механизма качающейся шайбы ( «ДОН - 1200» и «ДОН - 1500»).

В зерноуборочных комбайнах типа «ДОН» ход S ножа больше шага сегментов t и пальцев t _о:

S = 1,155 t =1,155 t ₀ = 88 мм, (6.10)

где t = t _o = 76,2 мм.

Согласно [8] и [9], закон изменения скорости перемещения ножа с механизмом качающейся шайбы отличается от используемого в комбайне СК - 5А «НИВА».

Для привода с механизмом качающейся шайбы

u _{н кш}= μ ω r sinω t = μ ω √ r ² − x ², (6.11)

где μ – параметр, учитывающий отличие в изменении скорости ножа с приводом через механизм качающейся шайбы от кривошипно-шатунного привода.

μ = (1 / cosα) [1 – (x ² / r ²) sin²α]. (6.12)

6.2.1Определение скорости начала и конца резания(рисунок 6.6):

– на расстоянии t = t _o = 76,2 ммпровести осевые линии перемещения двух соседних пальцев режущего аппарата и отметить ширину противорежущей пластины;

− определить величину относительного смещения осей симметрии сегментов по отношению к осям симметрии пальцев

∆ S = (S − t) / 2 = (88 − 76) / 2 = 6 мм;

− вычертить сегменты согласно рисунку 6.6;

Рисунок 6.6 – Определение скорости резания

для режущего аппарата с приводом качающейся шайбы

− обозначить режущие кромки AB и A ₃ B ₃ сегментов;

− провести ось ординат 0 y;

− по приведенным в таблице 6.2 результатам расчетов [по формулам (6.11) и (6.12) для S = 88 мм] отложить значения ординат y_i = μ_i y _i в зависимости от значений аргумента x _i;

− соединить точки 1, 2, 3, … 6 плавной кривой и 6–13;

− переместить режущую кромку АВ сегмента в положение А ₁ В ₁ и из точки А ₁ провести ординату А ₁ k ₁ = y _н до пересечения с левой частью параболы.

− переместить режущую кромку А ₁ В ₁ сегмента в положение А ₂ В ₂ и из точки А ₂ провести ординату А ₂ k ₂= y _к до пересечения с правой частью параболы;

− показать перемещение x _н ножа до начала резания, x _к – в конце резания и x _р – в течение процесса резания;

− определить скорости начала и окончания резания

V _{р н} = ω y _н и V _{р к}= ω y _к.

Таблица 6.2 − Значения изменения скорости перемещения

ножа с приводом качающейся шайбы в зависимости от угла поворота качающей шайбы

_i	μ_i	x _i	y _i	μ_i y _i	μ_iω	μ_iω y _i
	0,951				47.11
π /12	0.713	42,5	11,4		47.44	0.54
π /6	0,976	38,1		21,5	48.35	1.06
π /4	1.001	31,1	31,1	31.1	49.60	1.54
π /3	1,026		38,1	39,1	50.84	1.94
π /2.4	1.045	11,4	42,5	44.4	51.77	2.21
π /2	1,051			46,2	52.08	2.29

Ординаты y _н и y _к представляют собой скорость перемещения ножа в масштабе ω. Вид кривой изменения скорости резания с приводом качающейся шайбы является парабола. Однако ее использовать для определения скоростей резания в зависимости от перемещения ножа неудобно. С целью повышения точности определения примем полуокружность радиуса r = S / 2 = 44 мм. Тогда ординаты y _н и y _к будут представлять собой скорость резания в масштабе μω.

Сравнить полученные значения скорости резания V _{р н}и V _{р к} с допустимыми (V _р≥ 1,5 м/с).

6.2.2 Построение траектории абсолютного движения точек сегмента (рисунок 6.7).

Вычертить взаимное расположение сегментов и пальцев согласно рисунку6.7. Затем:

− для удобства дальнейшего построения провести радиусом r = S / 2 полуокружность с центром в точке 0;

− разделить полуокружность на шесть частей и обозначить точки 1; 2; 3…6;

− определить величину перемещения машины за один ход ножа – подачу на нож по выражению 6.6;

Рисунок 6.7 – Построение траектории абсолютного движения сегмента режущего аппарата с приводом качающией шайбы

− из точки D провести ординату z, отложить на нейвеличину подачи L на нож и разделить на части, как и полуокружность, обозначив соответственно точки 1¢; 2'; 3'...6';

− провести из точек пересечения лучей-радиусов с параболой вертикальные линии, а из точек 1¢; 2'; 3'...6' – горизонтальные – до их взаимного пересечения в точках, которые и будут промежуточными точками траектории;

− соединить эти точки кривой А – А ₁, которая представляет собой траекторию абсолютного движения сегмента режущего аппарата с приводом качающией шайба и также В и В ₁.

6.2.3 Построение графика пробега активной части лезвия сегмента и диаграммы высоты стерни.

Вычертить график пробега активной части лезвия сегмента для стеблей, растущих по линии m – m (рисунок 6.8) или m ₁ – m ₁ (рисунок 6.9 согласно методике приведенной в разделе 6.1.3).

Рисунок 6.8 – Графика пробега активной части лезвия сегмента

и диаграммы высоты стерни для стеблей, растущих по линии m – m

Рисунок 6.9 –Построение графика пробега активной части лезвия сегмента

и диаграммы высоты стерни для стеблей, растущих по линии m ₁ – m ₁

6.3 Режущий аппарат с использованием в приводе механизма Шумахера.

В зерноуборочных комбайнах КЗС - 7 и «ЛИДА-1300» ход S ножа превышает шаг сегментов t и пальцев t _о:

− ход ножа:

S = 1,115 t =1,115 t ₀ = 85 мм,

где t = t _o = 76,2 мм;

− скорость перемещения ножа

u _{н ш} = (30 ω V _р) / π n _ш.

6.3.1. Определение скорости начала и конца резания(рисунок 6.10):

− на расстоянии t = t _o = 76,2 ммпровести осевые линии перемещения двух соседних пальцев режущего аппарата и отметитьширину противорежущей пластины;

− определить величину смещения осей симметрии сегментов относительно осей симметрии пальцев

∆ S = (S − t) / 2 = (85 − 76) / 2 = 4,5 мм;

− провести оси симметрии сегментов) и вычертить сегменты согласно данным таблицы 6.1;

− обозначить режущие кромки AB и A ₃ B ₃ сегментов;

− провести ось ординат С_y.

Рисунок 6.10 – Определение скоростей резания

для режущего аппарата с приводом Шумахера

Закономерность изменения скорости перемещения ножа с механизмом Шумахера отличается от закономерностей рассмотренных выше приводов. Изменение скорости перемещения ножа с механизмом Шумахера происходит по трапеции, скорость ножа в пределах среза стеблей по величине постоянна.

В связи с отсутствием информации по теории движения ножа с применением механизма Шумахера, в первом приближении высоту (ординату y _ш) трапеции следует определять исходя из допустимой скорости резания ([ V _р] = 1,5…3,0 м/c) для зерновых культур и с учетом частоты вращения ведущего вала механизма привода режущего аппарата для комбайнов КЗС - 7 и «ЛИДА - 1300»

y _ш = V _р / ω_ш.

Частота вращения ведущего вала механизма

ω_ш = (π n _ш) / 30,

где – частота вращения ведущего вала механизма (приложение В).

Высота трапеции с учетом скорости резания V _рш:

y _ш = (30 V _р) / π n _ш;

− отметить положение точек А – начала координат xAy и 0 – центра полуокружности;

− радиусом r = S/ 2 = 42,5 мм провести полуокружность с центром в точке 0;

− на высоте y _ш, провести горизонтальную линию до пересечения с полуокружностью в точках E и F;

− провести наклонные линии СЕ и DF.

В системе координат xCy ломаная линия CEFD представляет собой закономерность изменения скорости перемещения ножа;

− переместить режущую кромку АВ сегмента в положение А ₁ В ₁ и из точки А ₁ провести ординату А ₁ k ₁ = y _н = y _ш;

− переместить режущую кромку А ₁ В ₁ сегмента в положение А ₂ В ₂ и из точки А ₂ провести ординату А ₂ k ₂= y _к = y _ш;

− нанести перемещение x _н ножа до начала резания, x _к – в конце резания и x _р – в течение процесса резания;

− замерить ординаты y _н и y _к, определить скорости начала и окончания резания

V _рн = ω_ш y _н = ω_ш y _ш и V _рк = ω_ш y _к = ω_ш y _ш.

6.3.2 Построение траектории абсолютного движения точек ножа (рисунок 6.11).

Вычертить положение сегментов и пальцев, как показано на рисунке 6.11 и, используя закономерность скорости резания (рисунок 6.10), построить траектории абсолютного движения точек режущего аппарата с приводом Шумахера.

Для этого:

− радиусом r = S / 2 провести полуокружность с центром в точке 0;

− разделить полуокружность на несколько равных частей (не менее 6) и обозначить точки 1; 2; 3…6;

− определить величину перемещения машины за один ход ножа по выражению (6.6);

− из точки D провести ординату z, отложить на нейвеличину подачи L на нож и разделить на шесть частей, как и полуокружность, обозначив соответственно точки 1¢; 2'; 3'...6';

Рисунок 6.11 – Траектория перемещения сегмента ножа

режущего аппарата с приводом Шумахера

− провести из точек пересечения лучей-радиусов с трапецией вертикальные линии, а из точек 1¢; 2'; 3'...6' – горизонтальные – до их взаимного пересечения в точках, которые и будут промежуточными точками траектории (рисунок 6.11);

− соединить эти точки кривой, которая представляет собой траекторию перемещения точек активной части лезвия сегмента ножа;

− соединить этой траекторией точки А и А ₁, а также В и В ₁.

6.3 Построение графика пробега активной части лезвия сегмента и диаграммы высоты стерни.

Для привода ножа с механизмом Шумахера исходными данными являются: шаг сегментов и пальцев – t = t ₀= 76,2 мм; ход ножа – S = 85 мм; ∆ S = 4,5 мм.

Вычертить график пробега активной части лезвия сегмента и диаграммы высоты стерни для стеблей, расположенных по линии m – m (рисунок 6.12) или m ₁ – m ₁ (рисунок 6.13), используя методику, приведенную в пункте 6.1.3.

Рисунок 6.12 – График пробега активной части лезвия сегмента

и диаграмма высоты стерни для стеблей, растущих по линии m – m

Рисунок 6.13 – График пробега активной части лезвия сегмента

и диаграмма высоты стерни для стеблей, растущих по линии m ₁ – m ₁