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在谷物联合收获机上,虽然脱粒滚筒的结构和参数各不相同,但是回转体仍然是脱粒部件的基本形式。
在作业时,由于谷物生长状况和其它因素的影响,使喂入量处于经常变化之中,从而引起脱粒滚筒转速的变化。
它的不稳定程度,决定脱粒滚筒工作性能的优劣,因此必须在理论上和实践上给以解决。
笔者认为,目前有关脱粒滚筒的基本公式,在理论上和应用上都存在问题,已经不能适应当前谷物联合收获机的发展。
为此在旧有理论的基础上,试探找出能够付之于实践的新理论。
脱粒滚筒的一般公式
几十年来,在研究脱粒滚筒的基本理论时,一直沿用苏联郭略契金院士建立的脱粒滚筒基本公式:
N——发动机供给滚筒的功率;
JT——滚筒的转动惯量;
ω——滚筒的转动角速度;
m'——单位时间谷物喂入量;
v——滚筒圆周速度;
f——谷物通过脱粒间隙时的综合搓擦系数。
上式的推导过程中,假设谷物受到滚筒冲击,由喂入时近乎于零的速度转变为滚筒的圆周速度v。
由于公式(1)是作为滚筒的基本公式提出的,所以在各种教科书和专著中都用它来分析滚筒的一般工作状况和对转动惯量进行理论计算,如下:
将式(1)作一变化,得到
该式表示:对于某一给定的功率N,当滚筒的转动惯量较大和它的转速较高时,它的角加速度与角速度的函数图形为双曲线。
滚筒工作时,它的角加速度可用下式表示:
此时,角加速度和角速度为线性关系。
它的变化曲线如图1。
由以上叙述中之式和图1读者一般容易作如下的理解:,并且喂入量m'增大时,随之增大。
当喂入量m'减小时,随之减小。
这显然与实际作业中的情况是不符的,很明显在m'增大时若N不变,则滚筒角速度ω下降,必然是负值。
在m'减小时,角速度ω上升,这时才是正值。
从公式看喂入量越大,则值越大,那么滚筒的角速度岂不是越来越高,而且,只有当喂入量m'=0时,滚筒的角加速度才能为零,这是不符合实际情况的。
图1角加速度与角速度的关系
图2脱粒滚筒受力分析
出现以上矛盾的原因是对郭氏公式的理解的偏差。
蒋亦元教授在“浅论谷物联合收获机的脱粒装置生产率和运转稳定性”一文中指出:“(1)式指明加工对象,执行机构——脱粒滚筒与动力装置三者间的关系。
也就是说,脱粒的有用功率消耗可以或者以滚筒所具有的功率M·ω来抵偿,或者由发动机功率75N来抵偿。
但是它仅仅能说明喂入是在均匀的条件下,功率的消耗与供给完全平衡,亦即在运转平稳的条件下的作业情况”。
可见哥氏公式仅是对滚筒平衡
状态的描述,所以式子中的不是滚筒在非平稳运转时的角加速度,而是输入力矩以角加速度作为表达的形式。
若欲说明滚筒的动平衡状态,则需找出新的滚筒基本公式,以便正确解释在实际的脱粒过程中,喂入量的改变与转动惯量和滚筒角速度变化的关系。
滚筒受力分析如图2。
MT—发动机传到滚筒的扭矩;
MTZ—脱粒滚筒在转动中受到空气和轴承的摩擦阻力矩;
按照郭氏的分析和试验验证,谷层对滚筒的搓擦阻力和谷物受到冲击产生动能时,给滚筒的反作用力为,f为谷物通过脱粒间隙时的综合搓擦系数,根据力矩平衡列方程式:
两边同时乘以ω,或写作
由公式(5)分析脱粒滚筒工作的四种情况
1)当m'为恒量时,即均匀喂入时,公式(5)左边为零,这时,滚筒运转平稳,公式(5)可改写为:
设75N=75NT-ATω-BTω3,N为发动机输入滚筒功率,在克服空气和轴承摩擦阻力后所余功率,即有用功率。
此式即哥氏公式。
可见郭氏公式仅描述了滚筒平稳运转的状态。
2)停止谷物喂入(包括未喂入前机器启动过程)m'=0,则由(5)式可得:
发动机供给滚筒的这部分功率,用来克服滚筒所受到的空气和轴承摩擦阻力,并使滚筒增速,由于发动机调速器的作用,此时ω值比正常工作状态时要高。
3)切断发动机传到滚筒的动力,此时NT=0,公式(5)变为:
由公式(8)可知,为负值,滚筒作减速运动,对谷物的搓擦打击和使谷物产生的动能以及克服空气阻力和轴承摩擦阻力所消耗的能量,全部由滚筒本身的动能供给,滚筒将很快由于堵塞而降速为零。
在作业中,这样做是毫无意义的,公式(8)不是滚筒正常工作状态的理*公论**式。
4)脱粒滚筒在一般工作情况下,处于动平衡状态,转速经常处于变化中。
当喂入量m'增大,则公式(5)右边成为负值,,滚筒速度降低,由发动机调速特性决定,发动机总功率和扭矩增加,因此而增大了供给滚筒的功率NT和力矩MT,使公式(5)右边重新等于零,也随之为零,转速不再降低;反之,若喂入量减小,则同样道理使ω增大到某一定值。
在实际工作中,喂入量m'总是不断地随着时间变化,所以滚筒的速度也随之不断地变化,平衡是暂时的,相对的。
由发动机功率和扭矩与角速度的变化曲线可知,在调速器的作用下,喂入量m'改变引起的角速度变化是较小的。
但是,如果喂入量m'改变过大,致使发动机超负荷工作,这时发动机扭矩在角速度降低时,增加不大,功率反而下降,滚筒的角速度变化范围增大,使脱粒效果变坏。
由以上分析可知,公式(5)比较公式(1)更全面地反映了滚筒的工作状况。
在计算滚筒转动惯量时,目前常用的办法是利用公式。
这也是不妥的,因为前面已提到公式(1)仅仅反映了滚筒的静平衡状态,是输入力矩所折合的角加速度,并非滚筒本身的实际角加速度,所以在计算时,代入滚筒实际角加速度是不合适的。
再者,联合收获机的结构在这些年里有了很大的发展和变化,在计算中代入诱导转动惯量是几十年前的经验值,是否适当?笔者认为,不同的联合收获机,其诱导转动惯量也是不同的,应该寻求可行的办法,来计算不同类型的联合收获机诱导转动惯量。
最后,在以往的计算中,没有考虑到发动机的调速作用和喂入量的变化,而喂入量的变化恰恰是引起滚筒不稳定运转的主要因素。
公式(5)虽然反映了脱粒滚筒的一般工作状况和特殊工作状况,但是发动机输入到滚筒的功率和扭矩对于角速度的变化曲线很难确定:当喂入量改变时,引起发动机转速改变,它不但影响到滚筒所受阻力的大小,还影响到滚筒以外的其它部件(例如:风扇、逐稿器和切割或捡拾部件等)所消耗的功率大小,而其它部件所消耗功率的多少,又反过来影响到输入滚筒的功率。
所以公式(5)只有理论意义而无实际意义。
由于发动机输出功率和转速的变化曲线与扭矩和转速的变化曲线是已知的,如果把发动机所驱动的全部联合收获机部件作为整体来研究,就方便得多。
并且由此而推引出滚筒转速随着喂入量变化的曲线,从而对滚筒的运转稳定性进行探讨。
下面将对此作初步的分析。
联合收获机上脱粒滚筒基本理*公论**式
目前农业机械学教科书和专著在引用有关这方面的理*公论**式中,对于输入功率作出两种不同的假设:
1.脱粒滚筒由角速度不变的发动机带动。
2.脱粒滚筒的运动由内燃机速度外特性或部分特性的调速性能所决定。
第一种假设仅仅考虑了三角皮带的传动性,而忽视了发动机的调速作用。
笔者认为,随着负载的变化,转速不断地变化,以达到发动机功率和力矩与负载平衡是联合收获机系统工作的基本特性之一,是不能忽视的。
而在设计中,若选择较佳的皮带转速范围、型号和头数等,是可以降低由于皮带速度改变,而引起的传递扭矩改变的影响。
第二种假设虽然考虑了发动机的调速作用,但是直接把发动机速度特性用于公式,这也是不妥的。
蒋亦元教授指出:“脱粒装置是整个机器运转系统中的一个组成部分,那么对其运转稳定性问题就要结合动力设备的特性和其它有联系的部件进行分析”。
这是因为在联合收获机中,发动机除了带动脱粒滚筒外,还给其它部件以动力,分析滚筒的运动状态,则必须考虑到其它部件的转动惯量(或诱导转动惯量)、空气阻力和运动副摩擦阻力以及其它因素所消耗的功率,它们都与滚筒的角速度ω有关,除了影响发动机总输出功率改变外,还影响输入滚筒功率的改变,因此需要建立整个联合收获机运动部件的动力学方程,以便更全面地对滚筒的工作状态进行理论分析。
设Jf——发动机飞轮、曲轴的转动惯量;
Jq——其它各部件诱导到q轴上的转动惯量;
JT——脱粒滚筒的转动惯量;
Afωf—发动机飞轮曲轴消耗在运动副上的阻力功率;
Aqωq——其它各部件消耗在运动副上的摩擦阻力功率;
——其它各部件消耗在空气阻力上的功率(主要是风扇);
CqMωq——其它各部件作用谷物所消耗的功率,其中M为平均喂入量;
ATω——脱粒滚筒消耗在运动副上的摩擦阻力功率。
ωf、ωq、ω分别为发动机飞轮轴,其它运动部件诱导轴q和脱粒滚筒轴的角速度。
郭氏对滚筒的切线力的推导前提是谷物飞出速度等于滚筒圆周速度,由此而得出
而实测谷物抛离滚筒速度仅为滚筒圆周线速度的既然前提与实际不符,公式(9)就很难确认是合理的。
此外公式(9)的使用是极不方便的,因为脱粒滚筒的结构形式,谷物性状,工作速度,凹板间隙,包角大小和喂入均匀性等都影响f值的大小。
事实上,f值通过测定是一个区间,而且它的立论前提使它只适用切向喂入滚筒,而对夹持半喂入式、轴流式和其它形式脱粒装置均不适用。
既然通过过去的试验知道,切向力P与v,也就是与ω成线性关系,那么只要取P=Fm'ωR,F值与原公式(1)中f值不同,是谷层对滚筒的阻力系数,其值可测定。
测定后的F值与f值的关系是:在这里由于舍弃了哥氏的推导前提,所以对于半喂入式、轴流式等其它形式的脱粒滚筒的F值,都可以用实测的方法得到。