Pomiar drgań własnych sieczkarni słomy kombajnu zbożowego oraz temperatury łożysk i analiza zebranych danych – Przemysław Winiarski, Marian Bartoszuk, Adrian Nosol

Pełen tekst

(1)mgr in¿. Przemys³aw WINIARSKI, dr hab. in¿. Marian BARTOSZUK, mgr in¿. Adrian NOSOL Politechnika Opolska e-mail: winiarski.przemyslaw@gmail.com data przyjêcia: 2017-07-03; data akceptacji: 2017-09-20. POMIAR DRGAÑ W£ASNYCH SIECZKARNI S£OMY KOMBAJNU ZBO¯OWEGO ORAZ TEMPERATURY £O¯YSK I ANALIZA ZEBRANYCH DANYCH Streszczenie Artyku³ przedstawia wyniki pomiaru drgañ, w jednostce przyœpieszenia, sieczkarni s³omy w kombajnie zbo¿owym. Ponadto zmierzono temperaturê ³o¿ysk wa³u sieczkarni. Celem artyku³u jest przedstawienie wyników badañ, przeprowadzonych na obiekcie kombajnu zbo¿owego oraz ich analiza. Dokonane pomiary s¹ czêœci¹ prac zwi¹zanych z utworzeniem systemu wykrywaj¹cego awariê sieczkarni s³omy, opieraj¹cego siê na pomiarach powstaj¹cych drgañ konstrukcji oraz temperatury ³o¿ysk. Ponadto otrzymane wyniki zostan¹ wykorzystane jako dane do analiz dynamicznych, wp³ywu drgañ na konstrukcjê ramy noœnej kombajnu zbo¿owego, co bêdzie przedmiotem kolejnych publikacji. S³owa kluczowe: sieczkarnia s³omy, pomiar drgañ, pomiar temperatury, kombajn zbo¿owy Wstêp Kombajny zbo¿owe samobie¿ne s¹ uk³adami zaprojektowanymi do wykonywana wielu zadañ jednoczeœnie. Zaliczyæ do nich mo¿na: œcinanie roœlin, om³ot ziarna z k³osa lub str¹czka, czyszczenie ziarna oraz oddzielenie resztek ziarna od s³omy. Dodatkowym aspektem jest tu rozdrabnianie s³omy, za co odpowiedzialna jest sieczkarnia znajduj¹ca siê w tylnej czêœci kombajnu. Bazuj¹c na ofercie handlowej firmy New Holland Ltd. stwierdziæ mo¿na ¿e jest to urz¹dzenie bêd¹ce na wyposa¿eniu dodatkowym [6]. Najczêœciej spotykanymi rozwi¹zaniami w zakresie rozdrabniania s³omy s¹ jednowa³owe sieczkarnie, napêdzane od odrzutnika s³omy za pomoc¹ przek³adni pasowych. Wa³ sieczkarni, w czasie produkcji, poddawany jest wywa¿eniu statycznemu. Elementy tn¹ce, no¿e, przyjmuje siê tu jako czêœæ zamienn¹ i obowi¹zkiem u¿ytkownika jest dbanie o odpowiedni¹ masê no¿y po przeciwnych stronach wa³u. Wynika to z faktu, ¿e ich masa musi byæ równa w przeciwnych mocowaniach dla zachowania wywa¿enia statycznego. Masa i kszta³t no¿y ró¿ni¹ siê w zale¿noœci od producenta, co nakazuje wymianê ich kompletami a nie pojedynczo. Na podstawie obserwacji empirycznych w trakcie pracy, badanego obiektu sieczkarni s³omy (rys. 1a b), w samobie¿nym kombajnie zbo¿owym New Holland Bizon BS Z110 stwierdzono, ¿e eksploatowany uk³ad emituje drgania. W zamyœle autorzy przyjmuj¹ jednoczesne ubytki masy wszystkich no¿y w uk³adzie bêd¹ce wynikiem tarcia z materia³em rozdrabnianym, co wynika z przyjêtych idealnych warunków pracy, a wiêc równomiernego rozk³adu s³omy na wale sieczkarni. Chc¹c wyjœæ naprzeciw poruszonym problemom, postanowiono zmierzyæ parametry takie jak: przyœpieszenie drgañ i temperaturê ³o¿yska, które pos³u¿¹ do wykonania analizy dynamicznej a wiêc ukazania realnego wp³ywu powsta³ych drgañ na konstrukcjê oraz stworzenie uk³adu mechatronicznego, którego zadaniem jest a). Metodyka badañ Badany obiekt, sieczkarnia s³omy, sk³ada siê z wa³u wykonanego ze stali St35/S235. Na bokach znajduj¹ siê tu pó³osie s³u¿¹ce do mocowania w ³o¿yskach obrotowych wahliwych. Na wale znajduj¹ siê 24 uchwyty na no¿e przy³¹czone za pomoc¹ spoiny pachwinowej. Do ka¿dego z uchwytów przy³¹czono za pomoc¹ po³¹czenia œrubowego 2 no¿e o masie 0,214 kg ka¿dy. Budowê zespo³u siecz¹cego przedstawiono na rys. 2a, a budowê no¿a, w rozpatrywanym wariancie, na rys. 2b. W badaniach eksperymentalnych dokonano pomiaru drgañ w jednostce przyœpieszenia dla stanu faktycznego wywa¿enia statycznego oraz zasymulowanych warunków utraty statecznoœci w postaci hipotetycznej utraty czêœci no¿a i jego ca³oœci. W tym celu dokonano pomiaru drgañ wa³u sieczkarni dla trzech ró¿nych wariantów obci¹¿enia: wa³ z kompletem wszystkich no¿y, wa³ z jednym no¿em z³amanym oraz wa³ bez jednego no¿a (rys. 2b). Takie rozwi¹zanie mia³o na celu zasymulowanie w badaniach losowej utraty no¿a przez zderzenie z materia³em innym ni¿ resztki roœlinne. Sytuacje utraty no¿a najczêœciej maj¹ miejsce na terenach pracy z licznie wystêpuj¹cymi kamieniami w glebie co w po³¹czeniu z wyleganiem zbó¿, powodowanym przez np. warunki atmosferyczne, zmuszaj¹ operatora do zbioru na niskich wysokoœciach roboczych.. a). b). b). Rys. 1. Sieczkarnia s³omy w kombajnie zbo¿owym New Holland Bizon BS Z110 a) widok od strony wylotu resztek roœlinnych, b) widok od strony zamocowania ³o¿yska bocznego oraz punkt pomiaru Fig. 1. Chaff cutter of New Holland Bizon BS Z110 combine harvester a) view from the outlet of crop residue, b) view from the bearing and the measuring point. 26. powiadomienie operatora o wystêpuj¹cym uszkodzeniu z winy no¿a sieczkarni b¹dŸ ³o¿yska sieczkarni, do którego budowy potrzebne s¹ dane pozwalaj¹ce uzale¿niæ uk³ad od precyzyjnych wartoœci drgañ i temperatury. Dodatkowe urz¹dzenie rozdrabniaj¹ce wykona³o pracê do chwili obecnej w czasie 120 motogodzin od chwili po³¹czenia go z kombajnem.. Rys. 2. a) Budowa wa³u siecz¹cego wraz z po³¹czeniami œrubowymi [5], b) Nó¿ sieczkarni ca³y oraz fragment maj¹cy symulowaæ losow¹ utratê no¿a Fig. 2. a) Shaft construction with the screw connection [5], b) knife of chaff cutter and his part to simulate random loss. Na podstawie przegl¹du literatury warto wskazaæ wyniki pomiarów przyœpieszenia drgañ, dzia³aj¹cych na operatora. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. 5/2017.

(2) maszyn samobie¿nych [7]. Autorzy wskazuj¹ tu na wartoœci -2 w przedziale 0,4-0,8 m·s dla stanowiska pracy operatora kombajnu dla odpowiednio 6-24 h czasu pracy. We wskazanych wartoœciach drgañ uwzglêdnione s¹ wszelkie t³umienia wibracji emitowanych przez uk³ady mechaniczne w maszynie m.in. bêben m³óc¹cy, odrzutnik s³omy, rozdrabniacz s³omy [7]. Odpowiednie wartoœci przyœpieszenia drgañ, maksymalnych, oddzia³ywuj¹cych na organizm cz³owieka podczas u¿ytkowania maszyny okreœlaj¹ m.in. dyrektywy Unii Europejskiej [2] gdzie dla maszyn -2 niestacjonarnych przyjmuje siê wartoœci 2,5 m·s jako mo¿liwa najwiêksza wartoœæ podczas 8h pracy. Do pomiaru drgañ wykorzystano urz¹dzenie Vibrotest 60 Schenck (rys. 3a b) wyposa¿one w akcelerometr pozwalaj¹cy na badanie przyœpieszenia w jednostce przyœpieszenia, w 3 osiach [4]. Pomiar zosta³ dokonany w osi X (rys. 2a). Celem pomiaru jest oszacowanie wartoœci przyœpieszenia drgañ, co w dalszym etapie prac pozwoli uzale¿niæ tworzony system pomiarowy od wartoœci przyk³adowych wyników oraz dokonaæ analiz dynamicznych. Pomiar drgañ odbywa³ siê w wyznaczonym punkcie na obudowie ³o¿yska (rys. 1b). Pomiarów drgañ dokonano dla prêdkoœci obrotowych w zakresie od minimalnej osi¹ganej do maksymalnej osi¹ganej przez wa³ sieczkarni, przyjmuj¹c podzia³ co 100 obr·min 1 silnika spalinowego kombajnu. Takie dzia³anie uzasadnia fakt ¿e obroty silnika s¹ œciœle powi¹zane z obrotami sieczkarni poprzez liczne przek³adnie pasowe.. a). b). c). Rys. 3. Urz¹dzenia pomiarowe a) Vibrotest 60 s³u¿¹cy do pomiaru drgañ, b) akcelerometr bêd¹cy na wyposa¿eniu urz¹dzenia Vibrotest 60, c) multimetr UT71D wyposa¿ony w funkcje pomiaru temperatury Fig. 3. Measuring device a) Vibrotest 60 for vibration measurement, b) accelerometer of Vibrotest 60, c) multimeter UT71D with temperature measurement function Pomiar temperatury przeprowadzono przy u¿yciu multimetra UNI-T UT71D przedstawionego na rys. 3c, z wykorzystaniem odpowiedniej funkcji pomiaru w stopniach Celsjusza [3]. Wartoœæ zmierzono dla pracuj¹cego ³o¿yska bez obci¹¿enia oraz podczas rozdrabniania s³omy rzepaku. Dane te s¹ istotne przy tworzeniu wy¿ej wymienionego systemu wczesnego ostrzegania operatora, aby zabezpieczyæ i operatora i kombajn przed mo¿liwoœci¹ uszkodzenia wa¿nych zespo³ów roboczych maszyny lub przed mo¿liwoœci¹ wyst¹pienia po¿aru.. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. Bazuj¹c na [1] przypuszcza siê w rozpatrywanym uk³adzie mechanicznym zale¿noœæ pomiêdzy wzrostem wartoœci przyœpieszenia, przemieszczenia drgañ w³asnych oraz wzrostem temperatury ³o¿ysk a ich awaryjnoœci¹. Autorzy wskazuj¹ na wzrost wartoœci wymienionych parametrów w odniesieniu do warunków pracy którym towarzysz¹: niski stopieñ smarowania, wystêpowanie ma³ych i du¿ych zanieczyszczeñ w ³o¿yskach [1]. Wyniki badañ Na podstawie przeprowadzonych badañ uzyskano wartoœci zestawione w tab., s¹ to wybrane dane z ca³ych serii wartoœci. S¹ one uœrednione przez funkcjê RMS, urz¹dzenia pomiarowego, podaj¹c¹ jedynie wartoœæ skuteczn¹. Nastêpnie przy u¿yciu funkcji PEAK otrzymano wartoœci maksymalnego przyœpieszenia drgañ dla danej prêdkoœci obrotowej. Z punktu widzenia autorów s¹ to dane niezbêdne do uzale¿nienia tworzonego systemu od uzyskanych wartoœci. Z danych wynika ¿e uk³ad rozdrabniania s³omy pozostaj¹cy w stanie wywa¿enia tworzy drgania o wartoœci 50,839 m·s-2 przy maksymalnej prêdkoœci obrotowej wa³u sieczkarni 3546,5 obr·min-1 co odpowiada 2050 obr·min-1 silnika spalinowego. Pomiary przeprowadzono w osi X maszyny (rys. 3a). W zasymulowanym wariancie utraty czêœci no¿a tn¹cego uzyskano wartoœæ przyœpieszenia równ¹ 69,042 m·s-2 przy 3546,5 obr·min-1 wa³u napêdzanego. Ukazuje to ¿e utrata czêœci masy no¿a, równa 0,114 kg spowodowa³a wzrost wartoœci przyœpieszenia o 38%. Dla prowadzonego badania, na podstawie obserwacji empirycznych, stwierdzono, ³atwo zauwa¿alne, znaczne drgania ca³ej konstrukcji maszyny. W ostatnim przypadku pomiarów jakim jest usuniêcie ca³ego no¿a tn¹cego, co ma zasymulowaæ jego ca³kowit¹ utratê, wartoœæ przyœpieszenia drgañ wynios³a 75,324 m·s-2 przy 3546,5 obr·min-1. Oznacza to wzrost wartoœci drgañ wzglêdem stanu pierwotnego o 50%. Pozosta³e wyniki, przedstawione w tab., pos³u¿¹ do rozbudowy systemu ostrzegaj¹cego o mo¿liwoœæ rozpoznawania przyœpieszenia drgañ niepo¿¹danych dla wszystkich prêdkoœci obrotowych. Zagadnienie to bêdzie tematem kolejnych publikacji. Dodatkowo, zebrane w czasie badañ dane, zestawiono na wykresie przedstawionym na rys. 4. Analizuj¹c przebieg zmian przyspieszenia zauwa¿yæ mo¿na znaczne skoki wartoœci drgañ w zale¿noœci od obrotów silnika. Szczególnie widoczny jest tu wzrost w przedziale obrotowym 1400-1550 obr·min-1 oraz 1850-1950 obr·min-1. Mo¿na zauwa¿yæ tu dodatkowo gwa³towniejszy wzrost przyspieszenia drgañ, w wariantach symuluj¹cych utratê no¿a tn¹cego, wzglêdem wariantu zachowania wywa¿enia statycznego, przy ni¿szych prêdkoœciach obrotowych.. Rys. 4. Wykres zale¿noœci przyœpieszenia drgañ od prêdkoœci obrotowej silnika spalinowego Fig. 4. Graph of relation between acceleration and rotation speed of combustion engine W przypadku pomiaru temperatur dokonano pomiarów, dla uk³adu pracuj¹cego pod obci¹¿eniem i bez obci¹¿enia. Pomiaru dokonano na obudowach ³o¿yska wahliwego po obu stronach wa³u sieczkarni (rys. 1a b). Uruchomiono siekacz s³omy i obserwowano wzrost temperatury do chwili ustabilizowania wartoœci. Otrzymane wartoœci to 52°C w przypadku pracy uk³adu bez obci¹¿enia i 73°C podczas pracy pod obci¹¿eniem.. 5/2017. 27.

(3) Tab. Wyniki pomiaru drgañ sieczkarni zbo¿owej dla trzech wariantów pomiarów Table Results of vibration measurement of chuff cutter for three variant simulations Prêdkoœæ obrotowa Prêdkoœæ obrotowa Czêstotliwoœæ silnika sieczkarni s³omy drgañ sieczkarni -1 -1 [obr·min ] [Hz] [obr·min ] 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2050. 1384 1557 1730 1903 2076 2249 2422 2595 2768 2941 3114 3287 3460 3546,5. 23,06 25,95 28,83 31,71 34,6 37,48 40,36 43,25 46,13 49,01 51,9 54,78 57,66 59,1. Wyniki pomiaru przyWyniki pomiaru przyœpieszenia drgañ dla œpieszenia drgañ dla wariantu utraty wywawariantu zachowania wy- ¿enia statycznego 1 wa¿enia statycznego (utrata po³owy no¿a) -2 -2 [m·s ] [m·s ] 12,028 12,112 12,82 13,049 13,161 14,12 13,841 15,482 15,229 18,943 16,881 20,078 18,804 22,059 30,536 35,525 38,243 36,154 40,3 37,973 41,185 39,217 49,455 40,562 64,489 49,149 69,042 50,839. Podsumowanie. -. -. -. Wyniki pomiaru przyœpieszenia drgañ dla wariantu utraty wywa¿enia statycznego 2 (utrata ca³oœci no¿a) [m·s-2] 13,135 13,322 13,804 14,887 16,986 18,796 22,42 35,611 40,981 42,589 44,879 53,124 68,321 75,324. Bibliografia. Na podstawie przeprowadzonych badañ mo¿na stwierdziæ ¿e: wartoœæ przyœpieszenia drgañ w wariancie zasymulowanej utraty czêœci no¿a wzros³a o 38% wzglêdem uk³adu pozostaj¹cego w wywa¿eniu statycznym, wartoœæ przyœpieszenia drgañ w wariancie zasymulowanej utraty ca³oœci no¿a wzros³a o 50% wzglêdem uk³adu pozostaj¹cego w wywa¿eniu statycznym, temperatura ³o¿yska podporowego bez obci¹¿enia, od momentu ustabilizowania siê, wzrasta pod wp³ywem obci¹¿enia zwi¹zanym z rozdrabnianiem resztek roœlinnych o 21°C, zaobserwowano dynamiczniejszy wzrost przyœpieszenia drgañ dla wariantów utraty ca³ego no¿a lub jego fragmentu w przedziale obrotowym 1850-2050 obr·min-1, a na podstawie obserwacji empirycznych podczas badania na tych prêdkoœciach obrotowych stwierdzono zjawisko rezonansu ca³ej konstrukcji. po przeprowadzonych badaniach zachodzi koniecznoœæ wykonania analizy dynamicznej metod¹ elementów skoñczonych ukazuj¹c¹ wp³yw drgañ na ca³¹ konstrukcjê kombajnu zbo¿owego, bazuj¹c na otrzymanych wynikach przyœpieszenia drgañ o danej wartoœci przy maksymalnych obrotach rozdrabniacza, zachodzi koniecznoœæ pomiaru przyœpieszenia drgañ dla stanowiska operatora w celu okreœlenia ich wp³ywu na bezpieczeñstwo pracy.. [1] Barañski M., Decner A.: Funkcja Przyspieszania Drgañ aY = ƒ(ax) jako narzêdzie do okreœlania stanu technicznego ³o¿yska. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, 2012, (97), 4. [2] Dziennik Urzêdowy Wspólnot Europejskich, Dyrektywa 2002/44/We Parlamentu Europejskiego i Rady z Dnia 25 Czerwca 2002 r. [3] Instrukcja obs³ugi urz¹dzenia pomiarowego Uni-T UT71D, dostêp - 20.06.2017. Https://www.ostfalia.de/export/sites/default/de/pws/ahrendb/Lehre/Labore/Labor_EE T/Geraetebeschreibungen/01_UT71B_Eng_Manual.pdf. [4] Instrukcja obs³ugi, folder reklamowy urz¹dzenia pomiarowego Vibrotest 60, dostêp 20.06.2017: http://www.bkvibro.com/en/products/vibrotest-60.html. [5] Katalog czêœci zamiennych Kombajnu New Holland Bizon BS Z110. Indeks: 2713-210-202, P³ock paŸdziernik 2000. [6] Katalog produktów, kombajnów zbo¿owych rotorowych, CNH Polska, dostêp 16.05.2017: http://d3u1quraki94yp.cloudfront.net/nhag/eu/pl-pl/assets/pdf/combineharvesters/cr-tier-4a-b-brochure-poland-pl.pdf. [7] Szczepaniak J., Kromulski J.: Analiza modelu przep³ywu energii w systemie biologiczno-mechanicznym Cz³owiekAgregat Rolniczy. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2011, Vol. 56(4).. MEASUREMENTS OF FREE VIBRATION OF CHAFF CUTTER IN COMBINE HARVESTER AND OF WORKING TEMPERATURE OF BEARINGS; DATA ANALYSIS Summary Article presents results of vibration measurement in acceleration unit of chaff cutter in combine harvester. Also it shows working temperature measurement of bearings on the shaft of the chaff cutter. The aim of article is to show results of measurements and to analyze them. This measurements are the part of construction of a system which is enable to detect breakdown of chaff cutter based on vibrations and working temperature. Additionally the obtained results will be used in dynamic analyzes showing an impact of vibration on carrying frame of combine harvester which will be the topic of further articles. Key words: chaff cutter, vibration measurement, temperature measurement, combine harvester. 28. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. 5/2017.

(4)