Рис. 7.15. Схема прес-підбирача з боковою подачею сіна

Основи теорії та розрахунку робочих органів для згрібання … сіна

рами пресування і закручують сіно або солому в циліндричні руло- ни діаметром до 1,5 м і заввишки до 1,4 м.

Преси з постійною камерою пресування виконують конвеєрними і роликовими, тобто рулони в них формують пресувальні конвеєри чи ролики або ланцюг з роликами. При цьому стрічки конвеєрів ру- хаються в одному напрямку, а ролики обертаються в один бік від- носно своїх осей.

7.4.1. Типи робочих органів пресів

Основним механізмом будь-якого прес-підбирача є живильні ро- бочі органи і пресувальна частина. Живильні робочі органи більшо- сті прес-підбирачів складаються з підбирача валків барабанного типу з пружинними пальцями і механізму подачі сіна до пресува- льної камери. Живильні робочі органи підбирають сіно (солому) із валків, піднімають його на потрібну висоту, спрямовують до заван- тажувального отвору приймальної камери пакувальників, які пере- хоплюють масу, та, попередньо відпресувавши, закидають її у пре- сувальну камеру в момент холостого ходу поршня. Пресувальна ча- стина складається з кривошипно-шатунного механізму, поршня, безпосередньо пресувальної камери і в’язального апарата.

Завдяки простоті конструкції, високій продуктивності й значній щільності пресування в технологічному процесі заготівлі кормів найбільше застосову- ють робочі органи з прямолінійним рухом поршня.

Основні типи робо- чих органів розглянемо на прикладі прес- підбирача ПС-1,6 (рис. 7.15). Прес-підбирач з боковою подачею скла- дається з таких основ- них вузлів: сниці 1; карданної передачі 2; маховика 3, який має запобіжну муфту і зв’язаний зрізною

шпилькою з ведучим валом коробки передач; кривошипно- шатунного механізму 4; поршня 5; підбирача з пружинними паль- цями 9; переднього пакувальника 7; заднього пакувальника 8; двох в’язальних апаратів з двома голками 6.

Підбиральна частина прес-підбирача шарнірно кріпиться до осі ходових коліс і розміщується з правого боку машини та має вигляд

325

Розділ 7

барабана, що складається з п’яти штанг, на яких закріплено пру- жинні пальці. Пресувальна камера — основна частина преса, все- редині якої формується тюк, яка є рамою машини та на якій монту- ються основні вузли прес-підбирача. Поперечний переріз камери поступово звужується до виходу за рахунок похилого розміщення верхньої частини. Бокові стінки паралельні одна одній. Усередині пресувальної камери змонтовано поршень з опорними роликами, який здійснює зворотно-поступальний рух. За кожний робочий хід поршень пресує порцію, яку подано пакувальниками сіна (соломи), і проштовхує її в стисненому вигляді далі в камеру.

Зверху середньої частини пресувальної камери встановлено змінні в’язальні апарати, призначені для дротяного і шпагатного в’язання тюків. В’язальний дріт повинен мати діаметр 1,8…2,0 мм, а шпа- гат — 2,5…3,0 мм. Шпагат має витримувати зусилля на розрив не менше ніж 680…740 Н. Останнім часом замість шпагату використо- вують синтетичні матеріали. Два типи в’язальних апаратів мають однакові механізми — механізм подачі в’язального матеріалу, вуз- лов’язальний пристрій, ніж для обрізування матеріалу, затискувачі й механізм для вмикання апарата. Вони складаються з таких основних робочих органів: вимірювального колеса, муфти вмикання, голок, гака-вузлов’язача, затискувального пристрою для дроту.

Під час руху агрегату вздовж валка пружинні пальці підбирача підхоплюють сіно і подають його до пресувальної камери, в якій за час робочого ходу поршня порція сіна стискується і тиск на поршні поступово збільшується. Коли сила тиску перевищить силу опору просування порції сіна в камері, відбувається її проштовхування на величину спресованої наступної порції: із камери виходить уся маса сіна, яка є в ній, у тому числі зв’язані тюки. За цей час ніж поршня обрізує залишки хвостової частини тюка і відокремлює таким чином порції сіна одну від одної.

Спресовану порцію поршень подає на зуби пароутворювачів, які, формуючи в тюку пази для укладання в них в’язального дроту, утримують сіно у спресованому вигляді під час холостого ходу по- ршня. Спресоване сіно, рухаючись, повертає мірильне колесо, яке при кожному повному оберті вмикає в’язальний апарат. Зв’язані в два обхвати тюки із пресувальної камери проштовхуються до виходу

і надходять на вивантажувальний лотік.

Рис. 7.16. Схема прес-підбирача з криволінійною камерою

326

Основи теорії та розрахунку робочих органів для згрібання … сіна

У рулонних прес-підбирачах пресувальна камера є криволіній- ною (рис. 7.16) Основні вузли прес-підбирача: підбирач 1, пакуваль- ник 2, поршень 3, пресувальна камера 4, в’язальний апарат 5, мі- рильне колесо 6, лотік 7. Рулонні преси згортають сіно в циліндри- чні тюки і зв’язують шпагатом. Сіно в рулонах краще зберігає кор-

мові властивості (поживні речовини).
Розглянемо принцип формування
рулону (рис. 7.17). Пресувальна час-
тина складається з системи верхніх 1
та нижніх 2 пасів. Щоб полегшити
початок утворення рулону, нижні па-
си в початковому положенні прови-
сають (штриховими лініями показано
положення роликів А і В, С і D у мо-
мент початку формування рулону).
Підбирач преса підбирає сіно і
транспортує його до двох пасів так,
що вхідна стрічкоподібна форма сіна
починає закручуватися під встанов-
леним тиском. У процесі приросту
рулону ролики В і С автоматично
переміщуються назад,	переборюючи
натяг пружин, з	якими вони
пов’язанні. Коли тюк досягає встано-
вленого діаметра (35…40 см), конве-		Рис. 7.17. Пресувальна частина
єр автоматично зупиняється і подача		рулонного сінного преса

сіна між пасами припиняється. Про- те рулон продовжує обертатися і спірально обмотується шпагатом,

при цьому вузол не зав’язується, оскільки зчеплення між сіном і шпагатом запобігає розвертанню. Після обмотування ролики B і С розкриваються, щоб викинути рулон. Щільність рулону становить до 200 кг/м3, маса — у середньому 25 кг.

7.4.2. Обґрунтування параметрів пресувальної камери

Тюки сіна (соломи) формуються і ущільнюються в пресувальній камері. Безперервності пресування досягають завдяки застосуванню відкритих камер, до яких матеріал подається через завантажуваль- не вікно з одного кінця камери, а спресовані тюки виходять з проти- лежного. Маса ущільнюється і просувається під час робочих ходів поршня. Щільність пресування залежить від зусилля, яке потрібно прикласти для просування спресованої маси в камері.

На початку кожного робочого ходу, коли поршень рухається до завантажувального вікна (шлях S1 ), тиску на його лобовій поверхні

327

Рис. 7.18. Зміна тиску на поршні преса залежно від кута повороту кривошипа

Розділ 7

P = f(ϕ) немає (рис. 7.18). При подальшому русі поршень стискує подану порцію сіна і на його поверхні виникає тиск, який у міру просування поршня збільшується (крива лінія АВ). Крива АВ характе- ризує збільшення тиску на поршні під час стиснення сі- на. Як тільки тиск досягне значення, що дорівнює силі тертя, яка утримує раніше спресовану в камері масу ма- теріалу, починається рух усьо-

го матеріалу до виходу (лінія ВС). Крива ВС характеризує тиск на поршні, коли стиснення порції сіна закінчилося і порція проштовху- ється у відкриту камеру на певний шлях. Початку руху (точка В) відповідає максимальне значення тиску поршня Pmax . Рух спресо-

ваної маси закінчується в кінці робочого ходу поршня Sп (точка С),

тобто при досягненні поршнем переднього крайнього положення. Потім починається зворотний хід. Крива СD характеризує тиск на поршні при зворотному ході.

Під час зворотного ходу поршня спресований матеріал розширю- ється, тому тиск на поршень знижується не миттєво, а поступово на певному шляху S2 холостого ходу. Щоб обмежити зворотний рух

спресованої маси, в камері встановлюють гальмівні упори або зати- скачі. В сучасних пресах S2 = 40…60 мм.

Щільність пресування залежить від довжини і ступеня звуження пресувальної камери. Преси мають різну довжину камери — від 1460 до 3550 мм. Звуження пресувальної камери можна досягти на- хилом однієї стінки, яка кріпиться шарнірно або нахилом за раху- нок пружних деформацій двох стінок камери, які мають жорстке кріплення.

Зусилля пресування. Параметри камери і окремих її елементів вибирають із умов отримання тюків певних розмірів, забезпечення заданої продуктивності преса і отримання тюків потрібної щільності за мінімальних енерговитрат.

Закономірності стиснення сіна і соломи встановлені експеримен- тально. При цьому І.І. Вольф запропонував параболічну залежність між тиском на поршні P, Па, і його переміщенням S, см, у такому вигляді:

P = ASn ,

де А і n — емпіричні коефіцієнти.

328

Основи теорії та розрахунку робочих органів для згрібання … сіна

Аналогічну залежність між тиском на поршні і щільністю спре- сованої соломи ρ, кг/м3, запропонував Скавельвейтон:

P = cρm ,

де с і m — емпіричні коефіцієнти.

На основі вивчення закону стиснення шару необмолочених стеб- лин пшениці вузькою планкою М.А. Пустигін запропонував експо- ненціальну залежність між тиском на поршні Р, Па, і переміщен- ням L, см, планки:

P = 0,001e9,21 / H ,

де Н — початкова висота стискального сіна, см.

Для вищих тисків (понад 98 кПа) М.А. Пустигін також запропо- нував залежність

P = AeBL / H −L ,

де А = 34 кПа і В = 0,375 (для люцернового сіна).

Залежність тиску, який потрібний для стиснення матеріалу до високої щільності ρ = 1000…1200 кг/м3, яку отримують при брикету- ванні сіна, запропонували Дж.Л. Баталер і Х.Ф. Мак-Коллі:

ρ = k1 lg(P / k2 ),

де k1 i k2 — емпіричні коефіцієнти.

Для отримання залежності тиску Р від щільності матеріалу ρ В.І. Особов виходив із того, що відношення приросту тиску dP до приросту щільності dρ прямо пропорційне прикладеному тиску Р:

dP/dρ = f(P).

Накопичений досвід дає основу вважати, що f(P) є лінійною за-

лежністю (функцією), тому dP/dρ = f(P) = aP + b.

Зінтегруємо цю залежність у межах зміни тиску на поршні від 0 до Р і від початкової щільності ρ0 до кінцевої ρ:

P	dP		ρ				1	P
⌠		=	⌠		dρ,	або		⌠ d(aP +b)
									aP +b
⌡ aP +b			⌡				a ⌡
0			ρ	0				0

ρ

⌠

= dρ.

⌡

ρ0

Після перетворень отримаємо остаточну формулу залежності ти- ску на поршні від щільності пресування:

329

Розділ 7

P = c ea(ρ−ρ0 ) −1		,	(7.3)

де c = b/ a.

Вільно насипане сіно має щільність ρ = 40…50 кг/м3. Емпіричні коефіцієнти с і а залежать від фізико-механічних властивостей сіна і характеризують опір, який сіно чинить стисненню. За дани- ми В.І. Обломова, залежно від вологості і складу сіна a = (3,75...5,50)·10–3 м3/кг, с = 3,82…6,0 кг·с/см2.

Залежність (7.3) можна перетворити і виразити через перемі- щення поршня. Для цього початкову довжину шару до стиснення позначимо через Lп, площу поперечного перерізу камери — Sп.к,

деформацію шару матеріалу при його стисненні — Нш. Початковий об’єм сіна до стиснення дорівнює Sп.кLп, маса сіна

Q = ρ0Sп.кLп.	(7.4)
Після стиснення об’єм сіна дорівнює Sп.к(Lп – Нш), а маса сіна
становитиме
Q = ρ0Sп.к(Lп – Нш).	(7.5)

Прирівнявши праві частини виразів (7.4) і (7.5), отримаємо

ρ = ρ0Lп(Lп – Нш).

Підставивши останнє рівняння у формулу (7.3) для визначення тиску пресування, дістанемо

	а	ρ			Lп		− ρ
			0	L	−Н			0
						ш					,
Р = с е				п					−1
або після перетворення

аρ0 Нш

Р = с еLп −Нш −1 .

На основі експериментів І.А. Долгов запропонував залежність с і а від початкової щільності стискального матеріалу ρ0 у такому ви-

гляді:

c =1/( A + Bρ0 +Cρ20 ); a = D + Eρ0 + Kρ20 + Mρ30 ,

де А, В, С, D, E, K, M — дослідні коефіцієнти, які залежать від ма- теріалу пресування.

330

Основи теорії та розрахунку робочих органів для згрібання … сіна

Розподілення тиску вздовж камери. При ущільненні сіна в пресувальній камері матеріал стискується в напрямку руху поршня і прагне розширитися в перпендикулярному напрямку. Стінки ка- мери перешкоджають розширенню, внаслідок чого виникає боковий тиск η. Припустимо, що боковий тиск лінійно залежить від осьового тиску Р на всьому інтервалі його зміни:

η = µP,

(7.6)

де µ — коефіцієнт бокового тиску при навантаженні.

Якщо осьовий тиск збільшити до певного значення Р і потім змен- шити його до нуля, то боковий тиск не впаде до нуля, а збереже певне залишкове значення η0. Залежність бокового тиску від осьо-

вого при розвантаженні має вигляд

η = η0 + µ1P,

(7.7)

де µ1 — коефіцієнт бокового тиску при розвантаженні.

У момент зупинення поршня ліві і праві частини залежностей

(7.6) і (7.7) однакові:

µP = η0 + µ1,

звідки

µ = µ1 + η0/P.

На відстані х від порш- ня виділимо елементар- ний шар матеріалу зав- товшки dx (рис. 7.19). Злі- ва на нього діє тиск Px ,

справа — Px + dPx , а по периметру — тиск ηx. Про-

екція сил на горизонталь- ну вісь

Рис. 7.19. Сили, які діють при ущільненні сіна в пресувальній камері

PxSп.к – (Pz + dPx) – fηxudx = 0,

де f — коефіцієнт тертя сіна по стінках камери; u — периметр попе- речного перерізу камери.

Останній вираз можна подати у вигляді

dPx/ηx = – fudx/Sп.к,

або

dPx/(η0 + µ1Px) = – fux/Sп.к.

331

Розділ 7

Зінтегрувавши останній вираз у межах від Р до Px і від 0 до х, отримаємо

(1/ µ1 )ln[(η0 + µ1Px ) /(η0 + µ1P)] = fux / Sп.к.

Розв’язавши отримане рівняння відносно Px , знайдемо

Px = (P + η0 / µ1 )exp(−µ1 fux / Sп.к ) − η/ µ1.

(7.8)

Використавши рівняння (7.8), отримаємо закономірність розпо- ділу бокових тисків на відстані х від поршня:

ηx = (µ1P + η0 )exp(−µ1 fux / Sп.к ).

Отримані залежності дають змогу визначити силу f тертя сіна по стінках камери, яку визначають як різницю зусиль Р поршня і P1

упору:

f = Sп.к(P – P1).

Тиск P1 отримаємо, якщо у формулу (7.8) замість х підставимо величину Lп – Нш, яка дорівнює відстані між поршнем і упором:

P1 = Sп.к(P + η0 / µ1 ){1 − exp[−µ1 fu / Sп.к(Lп − Hш )]}.

Отже, сила тертя залежить від фізико-механічних властивостей матеріалу (fµ1) і відношення периметра до поперечного перерізу

камери. Зі зменшенням цього відношення зменшується також сила тертя, і навпаки.

При ущільненні сіна у відкритій камері протидія створюється за рахунок спресованого матеріалу об її стінки. Ущільнення сіна почи- нається, коли поршень проштовхує матеріал, який надійшов, через завантажувальне вікно. Тиск поршня зростає в міру стиснення і до- сягає певного максимального значення PB у точці В (див. рис. 7.18).

Зусилля поршня починає дорівнювати опору проходження матеріа- лу в камері: починається проштовхування спресованого матеріалу.

Якщо довжину матеріалу і відповідно шлях його проштовхуван- ня після ущільнення позначимо через h, а довжину відкритої каме- ри — через L1 , то, використовуючи рівняння (7.8), визначимо про-

тидію з боку напрямних відкритої камери, підставивши замість х значення L1 + h:

PB = (P + η0 / µ1 ){exp[−µ1 fu / Sп.к(Lп − Hш )]}− η0 / µ1.

(7.9)

332

Основи теорії та розрахунку робочих органів для згрібання … сіна

Формула (7.9) дає змогу визначити довжину відкритої камери при заданих зусиллях пресування.

Після точки В напруження в сіні внаслідок його тертя по стінках камери зменшується і змінюється аналогічно рівнянню (7.8):

Px = (PС + η0 / µ1 )exp(−µ1 fux / Sп.к ) − η0 / µ1 ,

де Px — тиск в перерізі відкритої камери, віддаленої на відстані х від точки С; PC — тиск поршня в точці С:

PС = (PВ + η0 / µ1 )exp(−µ1 fuh / Sп.к ) − η0 / µ1.

При зворотному ході поршня відбувається пружне розширення спресованого матеріалу, тому в камері тиск зберігатиметься на- віть тоді, коли поршень повністю відійде від спресованого матері- алу. При робочому ході поршня сіно знову зазнає стиснення, щільність його стає найбільшою, саме в цей момент і виконують в’язання тюка.

Визначення роботи пресування. Робота А пресування одини-

ці маси матеріалу (сіна, соломи) складається з роботи A1 , яка потріб-

на для стиснення матеріалу (однакова для відкритої чи закритої камери); роботи A2 , яка витрачається на виштовхування спресова-

ного матеріалу із камери; роботи A3 пружного розширення спресо-

ваного матеріалу, яка передається (повертається) на привідний вал преса і тому віднімається від загальної роботи, тобто:

A = A1 + A2 − A3.

Роботу, яка витрачається на стиснення сіна або будь-якого подіб- ного матеріалу, отримаємо, застосувавши вираз для елементарної роботи на шляху dx:

dA1 = Sп.кPdx/G,

звідки

Н

1

=

Sп.к ⌠ш

с

{

0

}

dx,

G

⌡

A

exp[a(η− η

)]−1

0

або

S

Нш

aη x

⌠

A

=

п.к

с

exp

0

−1

dx,

1

G

Lп − х

⌡

0

333

Розділ 7

де G — вага ущільнювального сіна, кг.

Питому роботу, яка потрібна для виштовхування сіна з відкритої камери, знайдемо, зінтегрувавши рівняння (7.9) по dh від 0 до h і підставивши h замість L1 + h:

A

=

Sп.к

Sп.к

P +

η0

1

− exp

µ1 fuh

−

η0h .

G

2

µ

fu

µ

S

µ

1

1

п.к

1

Робота пружного розширення для відкритої камери пропорційна площі трикутника DCE:

A3 = Sп.кPСHш .2G

Якщо відома продуктивність Qп, т/год, прес-підбирача, то потуж- ність N, Вт, визначають за формулою

N = AQп/270.

Розрахунок маховика. За час одного ходу поршня зусилля пресування змінюється нерівномірно. Спочатку воно незначне, а в кінці — досягає максимального значення. Відповідно до цього крут- ний момент на привідному валу також змінний, тому потужність двигуна вибирають за середнім значенням крутного моменту, але при цьому обов’язково ставлять маховик.

Порядок розрахунку маховика такий. Спочатку визначають тиск на поршні для найважчих умов роботи, використовуючи формулу

P = c[expa(η− η0 ) −1], і розбивають ділянку пресування на інтер-

вали. Для кожного інтервалу визначають швидкість поршня і від- повідний їй крутний момент на кривошипному валу:

P1R1 , P2R2 , ..., PnRn. Потім залежно від кута повороту кривошипа α

	будують криву крутних мо-
	ментів M1 , M2 , ..., Mn (рис.
	7.20). Визначають площу σ під
	кривою, яка виражає всю ро-
	боту, витрачену на пресуван-
	ня:
	A = Kσ,
	де K = K1K2 ( K1 і K2 —
Рис. 7.20. Залежність моментів на валу	масштаби відповідно для мо-
кривошипа від кута повороту	менту і кута повороту).

334

Основи теорії та розрахунку робочих органів для згрібання … сіна

Середня потужність Ncp, Вт, для приводу поршня преса

Ncp = A/75t,

де t — час одного оберту, с. У свою чергу, t = 2π/ ω, тоді

Ncp = Aω/2π,

де ω — кутова швидкість обертання маховика, рад/с.

Середній крутний момент при рівномірних витратах роботи А за час одного оберту кривошипа

Mcp = Ncp/ω = A/2π.

На графіку по вертикалі відкладають значення Mcp і проводять

горизонтальну лінію до кута повороту кривошипа 2π. Тоді площа прямокутника у визначеному масштабі виражатиме всю роботу пре- сування. Площа під кривою вище від лінії Mcp характеризує над-

лишкову роботу Ан, яка має відбуватися за рахунок кінетичної ене-

ргії маховика преса та зведеного моменту інерції робочих органів преса. Момент інерції на привідному валу преса, потрібний для за- безпечення заданої нерівномірності δ обертання вала,

J = Aн / ωпр2 δ,

де ωпр — кутова швидкість обертання привідного вала преса;

δ = 0,10…0,15.

Теоретичну вагу маховика, зведеного до центра тяжіння попе- речного перерізу обода на радіусі R = D/2, визначають з рівняння

GD2 = 4gJ,

де g — прискорення вільного падіння. Дійсна вага обода Gд = 0,9G.

335