Разработка схемы дискового почвообрабатывающего орудия (борона), расчет основных параметров и анализ его работы

2

Федеральное Государственное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

Белгородская Государственная Сельскохозяйственная Академия

Кафедра «Механизация сельского хозяйства»

РАСЧЕТНО - ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по «Сельскохозяйственным машинам»

на тему: «Разработка схемы дискового почвообрабатывающего орудия,

расчет основных параметров и анализ его работы. (вариант №4, №29)»

Выполнил студент 33-И группы

инженерного факультета

Проверил доцент кафедры

«Механизация сельского хозяйства»

к.т.н.

Майский

2008 г.

Содержание

1. Общие сведения о дисковых плугах, лущильниках и боронах

1.1. Основные особенности

1.2 Агротехнические требования и условия применения

2. Исходные данные

2.1. Анализ работы дискового орудия

2.2. Расчет геометрических параметров дискового рабочего органа

2.3. Тяговое сопротивление и силовые характеристики дисковых рабочих органов.

Вывод.

Литература

1. Общие сведения о дисковых плугах, лущильниках и боронах

1.1 Основные особенности

Дисковые рабочие органы меньше подвержены забиванию сорняками, со-ломой и другими волокнистыми материалами, чем поступательно движущиеся рабочие органы. Поэтому для мелкого лущения стерни зерновых культур ши-роко применяют дисковые, а не лемешные лущильники. По тем же причинам первичную обработку болотных земель проводят тяжелыми дисковыми боро-нами с вырезными дисками.

Кроме того, при работе дисковых плугов и лущильников на сухих спе-кающихся почвах не происходит образования таких крупных глыб, какие воз-никают при работе лемешных плугов. Поэтому дисковые плуги применяют в странах с тропическим климатом.

В настоящее время получили распространение дисковые мульчировщики и дискаторы с индивидуальным размещением дисков на стойках. Данные агрега-ты предназначены для рыхления и подготовки почвы под посев; уничтожения сорняков и измельчения пожнивных остатков; для предпосевной подготовки почвы без предварительной вспашки и обработки почвы после уборки толсто-стебельных пропашных культур. Бороны данного типа предназначены для ра-боты на всех почвах с влажностью до 25%, уклоном поверхности поля не более 8%, твердостью почвы в обрабатываемом слое не более 4 МПа.

1.1.1. Классификация и характеристика основных типов дисковых орудий

По характеру выполняемой работы дисковые машины подразделяют на плуги, лущильники и бороны. Лущильники и бороны бывают симметричными и несимметричными, плуги только несимметричными.

Диски борон и лущильников, чередуясь с распорными катушками и под-шипниками, образуют отдельные батареи, имеющие каждая горизонтальную ось вращения. В отличие от борон и лущильников каждый диск дискового плуга, дискатора и мульчировщика имеет свою ось вращения, образующую с горизонтальной плоскостью угол, приблизительно равный 20°.

Дисковые плуги, предназначенные для вспашки тяжелых твердых почв, обладают большим весом и по этой причине могут быть только прицепными и полунавесными. Для обработки мягких старопахотных почв некоторое распро-странение получили также двух-, трех- и четырехдисковые навесные плуги.

Тяжелые прицепные дисковые плуги снабжают дисками диаметром 610 -810 мм, навесные 580 - 710 мм. Плоскость лезвия диска образует с направлени-ем движения трактора угол а=40-45° и с вертикальной плоскостью угол (3=15-25°). Каждый сферический диск дискового плуга крепится пятью-шестью бол-тами с потайными головками к фланцу короткого вала, вращающегося в двух конических или шариковых подшипниках, закрепленных в массивной литой стойке. Верхний конец этой стойки болтами или скобами присоединен к пусто-телому (навесного) или массивному сплошному брусу рамы (прицепного) плу-га. Для лучшего оборота пласта и очистки диска от налипающей почвы приме-няют короткие отвальцы, монтируемые на стойке из полосовой стали, присоединенной болтами к основной литой стойке дискового корпуса.

В стенку борозды упираются переднее и заднее наклонно установленные бороздные колеса у прицепного дискового плуга или только заднее бороздное колесо у навесного плуга, позволяя сохранить равновесие в горизонтальной плоскости.

Плоскость вращения бороздных колес образует с горизонтальной плоско-стью угол 60 - 70°. Глубина хода дисков регулируется перестановкой по высоте полевого колеса. На диске каждого колеса можно монтировать съемные чугун-ные грузы.

Дисковые лущильники применяют в основном для лущения стерни на глубину 6-15 см, а иногда для ухода за парами. В зонах, подверженных ветро-вой эрозии, дисковые лущильники, снабженные высевающим аппаратом и се-мяпроводами, применяют для посева зерновых культур на полях с незапаханной стерней. Несимметричные дисковые лущильники изготовляют с шириной захвата до 6 м, а симметричные до 20 м.

Дисковые лущильники, как правило, прицепные и лишь узкозахватные лущильники (с шириной менее 2 м) делают навесными.

Общая схема прицепного несимметричного дискового лущильника анало-гична схеме прицепного дискового плуга: лущильник имеет два бороздных и одно полевое колесо, ось переднего бороздного колеса связана тягой с прице-пом лущильника, что делает это колесо управляемым при поворотах агрегата, глубина хода дисков регулируется перестановкой по высоте полевого колеса, рама состоит из одного мощного бруса. Угол а, образуемый плоскостью враще-ния лезвия дисков со стенкой борозды, может регулироваться в пределах 35 -45°. Эти лущильники работают на глубину до 15 см; их комплектуют дисками диаметром 450 - 510 мм, удаленными друг от друга на расстояние 125 - 200 мм. Конструкция предусматривает установку балластных грузов на заднее колесо и задний конец рамы. При транспортировании габаритная ширина лущильника уменьшается до 2 м в результате перестановки (поворота) колес, однако из-за большой продольной базы (расстояние между передним и задними колесами лущильника в транспортном положении равно 5 - 7 м) при переездах по неров-ной местности диски лущильника могут задевать за бугры.

Симметричные дисковые лущильники, выпускаемые отечественными предприятиями, изготовляют с шириной захвата 5, 10, 15 и 20 м.

Батареи из 8 - 10 дисков промежуточными рамками шарнирно присоеди-нены к брусьям основной рамы. Диаметр дисков равен 450 мм, расстояние ме-жду дисками 170 мм, угол регулируется через каждые 5° в пределах 10 - 35°. При а=15 - 20° лущильник можно использовать в качестве односледной диско-вой бороны. Глубина хода дисков регулируется грузами, размещаемыми в бал-ластном ящике каждой батареи.

При работе симметричного лущильника на поверхности обработанного поля образуются свальные гребни и разъемные борозды.

Дисковые бороны по назначению делят на полевые, садовые и болотные (тяжелые), а по способу соединения с трактором - на навесные и прицепные.

Полевые дисковые бороны применяют для измельчения задернелых пластов и глыб на поверхности вспаханного поля, весенней предпосевной обработ-ки зяби, а в некоторых случаях для культивации паров, лущения стерни и осве-жения лугов. Глубина обработки 6 - 10 см, диаметр дисков 450 - 500 мм, рас-стояние между дисками 165 - 180 мм, угол установки <х=10 - 22°.

Как правило, полевые бороны делают двухследными симметричными. Од-нако в последнее время для агрегатирования с мощными тракторами начали применять двухследные несимметричные бороны.

Полевые бороны навесного типа применяют лишь с тракторами мощно-стью 20 - 30 л. с. Ширина захвата дисковых навесных полевых борон обычно не превышает 2 м.

Для работы с более мощными тракторами используют прицепные диско-вые бороны, имеющие ширину захвата до 4 м при жесткой и до 10 м при шар-нирной конструкции рамы. Бороны этого типа транспортируют по дорогам на колесах с пневматическим ободом; перевод бороны из рабочею положения в транспортное производится при помощи гидроцилиндров.

Садовые дисковые бороны в основном прицепные несимметричные, что обеспечивает смещение в поперечном направлении линии тяги бороны, и по-этому трактор может двигаться на большем расстоянии от ряда садовых де-ревьев, чем при работе с симметричной дисковой бороной, имеющей такую же ширину захвата.

Садовые бороны применяют для рыхления почвы и подрезания сорняков в междурядьях плодовых деревьев. Угол установки и диаметр дисков у садовых борон больше, чем у полевых (диаметр дисков до 560 мм; а=15 - 25°).

Глубина обработки почвы при повторных проходах садовой бороны может быть доведена до 14 см.

Тяжелые, или болотные дисковые бороны, применяют как для первичной обработки осушенных болот на глубину до 25 см в результате нескольких пере-крестных проходов, так и для разделки пластов, поднятых кустарниково-болотным плугом.

Бороны этого типа обычно бывают прицепными двухследными симмет-ричными. Иногда применяют и односледные навесные бороны. Для устранения забивания пространства между дисками дерниной и ветвями кустарников диа-метр дисков тяжелых борон 560 - 660 мм, а расстояние между дисками 230 -280 мм. Для устранения сгруживания ветвей кустарников впереди батарей дис-ков на боронах этого типа устанавливают так называемые вырезные диски. Вы-резы, имеющие различную форму, располагаются на равных расстояниях по всей длине лезвия; число вырезов 5-12. Угол установки дисков а, регулируе-мый установочным винтом или гидроцилиндром, равен 10 - 20°.

1.1.2. Рабочие органы

В современных дисковых почвообрабатывающих машинах применяют диски с постоянной кривизной во всех точках их рабочей поверхности, т. е. сферические сегменты. Диски с переменной кривизной, образованные враще-нием эллипса или параболы, широкого распространения не получили.

Обычно у сферических дисков осуществляют наружную заточку лезвия со стороны выпуклой поверхности диска. Диски с внутренней заточкой (со стороны вогнутой поверхности) применяют лишь на некоторых дисковых боронах, предназначенных для работы на твердых почвах.

Диски плугов и лущильников имеют сплошное лезвие, диски борон изго-товляют со сплошным и вырезным лезвием.

1.2 Агротехнические требования и условия применения

Обработку почвы следует выполнять в установленные сроки. Если обра-ботка состоит из нескольких приемов, то желательно не разрывать их во време-ни.

Необходимо соблюдать заданную глубину обработки; отклонение не должно превышать ±(1...2) см.

Не допускаются огрехи или пропуски. Поскольку огрехи чаще всего появляются в результате небрежного вождения трактора, то о них судят по виду следов рабочих органов машин и орудий. Следы должны быть прямолинейными.

Концы участка обрабатывают так же аккуратно, как и основной участок, на котором не должна просматриваться пестрота в каком-либо показателе качества (например глыбистости, гребнистости поверхности, заделке сорной растительности и навоза). Чаще всего пестрота этих показателей -- результат работы на разных скоростях, а также небрежного вождения агрегата и плохого состоя-ния рабочих органов машин и орудий (тупые лезвия, ржавая рабочая поверх-ность).

При любой обработке желательно получить комочки почвы Размером 1...10 мм и нежелательно -- частицы менее 0,25 мм. Эти показатели зависят от вида обработки и свойств почвы. Они труднодостижимы, но желательны.

Рабочие органы в конце обрабатываемого участка поля следует включать и выключать на одной линии; допускаемое отклонение -- не более ±0,5 м.

К каждому виду обработки почвы предъявляются специфические требова-ния. Не допускается, чтобы безотвальные орудия для рыхления подверженных ветровой эрозии почв уничтожили более 10 % стерни за один проход при мелком рыхлении и более 25 % -- при глубоком и чтобы при этом почва разрушалась до частиц менее 1 мм.

В верхнем рыхлом слое почвы, подготовленной к посеву, не должно со-держаться комков более 3 см, гребнистость поверхности пашни должна быть не более 3...4 см.

Оценивая качество работы почвообрабатывающих машин, учитывают со-блюдение всех агротехнических требований, помня о том, что главное из них - борьба с сорняками.

Дисковые бороны и лущильники должны обрабатывать почву на глубину не менее 8 см. Отклонение средней глубины от заданной допускается ±3 см. В верхнем обработанном слое почвы не должно быть комков более 10 см по наи-большему размеру. Поверхность поля после прохода дисковой бороной должна быть слитной, а глубина развальных борозд и высота свальных гребней - не более глубины обработки. Сорные растения должны быть подрезаны не менее чем на 97 %.

2. Исходные данные

Исходя из варианта №4, выбираем данные для расчета курсовой работы (из таблицы приложения 2).

Тип почвообрабатывающей машины: борона

Коэффициент пропорциональности k = 4

Половинный угол при вершине сектора ц = 22⁰

Угол заострения диска i = 10⁰

Рабочая скорость 12 км/час

Угол атаки для построения профиля борозды б = 21⁰

Интервал угла атаки б = 9-21 (для построения зависимости высоты гребней и равномерности обработки почвы)

Глубина обработки почвы а = 16 см

Ширина захвата 3,5 м.

2.1 Анализ работы дискового орудия

Почвообрабатывающие диски лущильников, борон и плугов представляют собой часть сферы радиусом R, отсеченную плоскостью SS. Большое влияние на технологические показатели работы диска оказывают его параметры: диа-метр D, угол заточки i, а также связанный с ним задний угол резания б (рис. 1).

Заточка режущей кромки определяется углом ш=ц+i, находящимся между образующей конуса заточки и секущей плоскостью SS (здесь ц - половина центрального угла сферического сектора).

Рассчитываем диаметр диска исходя из заданной глубины обработки и коэффициента пропорциональности.

где к - коэффициент пропорциональности, заданный в приложении 2.

Большие значения коэффициента к принимают при обработке твердых почв при малых углах атаки и больших скоростях работы орудия.

Диаметр диска D = 640 мм.

Рассчитываем радиус сферы диска.

Диаметр диска и радиус сферы связаны соотношением

из этой формулы следует что:

Вычисляем теоретическую высоту гребней c_T, расстояния между гребнями s и степень неравномерности глубины обработки почвы, %. Данные расчетов заносим в таблицу.

По агротребованиям для дисковых плугов допускается для лу-щильников для борон

В нашем случае для борон

a - глубина обработки из условия равна 160мм.

Принимаем c = 160 мм.

Высота гребней с на дне борозды, образованной диском, зависит от диа-метра диска D, угла атаки б и расстояния между дисками b. Из треугольника OEF (см. рис. 1)

Находим расстояние между дисками исходя из следующего условия:

Находим теоретическую высоту следующим образом:

Рассчитываем с_т для различных диапазонов угла атаки (в соответствии с вариантом задания), в нашем случае: б = 15 -25 (б = 9; 12; 15; 18; 21.)

с_т9, с_т12, с_т15, с_т18 - эти значения мы найти не можем.

Математический смысл: в формуле под корнем получается минус, следовательно значение корня мы найти не можем.

Физический смысл: состоит в том, что уже при угле атаки = 210 мы получаем максимальное значение высоты гребней с. А из условия с должно быть меньше или равно а.



Принимаем общее число дисков для 3,5 м ширины захвата. Число дисков 17.

Качество работы дисковых орудий оценивают по равномерности обработки почвы по глубине:

Рассчитываем значение з_т для каждого из значений с_т.

Подсчитываем расстояние между вершинами гребней

При минимальной возможной высоте гребней с = 160мм, равной глубине обработки а = 160мм, равномерность обработки по глубине ровняется 0,5 и является предельной.

Заносим все полученные данные в таблицу:

Таблица 1

Основные параметры работы дисковых орудий

Показатель	Расчетное значение параметров
Угол атаки, град.	21
Диаметр диска, мм	640
Высота гребней, мм:
теоретическая	160
действительная	160
Растояние между гребнями, мм	212,75
Равномерность обработки по глубине:
теоретическая	0,5
действительная	0,7

Строим профиль дна борозды дискового орудия. На листе формата А1 в правом верхнем углу в масштабе чертим окружность диаметром D =640мм. Ниже чертим еще одну окружность диаметром D = 640мм. Из центра второй окружности под углом б =21⁰ проводим ось дисковой батареи. На этой оси строим горизонтальную проекцию дисковой батареи с расстояниями b = 212,75 мм между дисками и радиусом их кривизны R = 854,22мм. Диаметр одного из дисков на горизонтальной про-екции делим на 12 равных частей (минимум 8) и обозначаем их цифрами (от центра соответственно вверх и вниз) 0,1,2,... и 0,1',2' и т. д. Через полученные точки проводим линии, параллельные оси батареи, до пересечения с окружно-стью и построить хорды 1-1', 2-2' и т. д.

На верхней окружности чертим хорды 1-1', 2-2',..., параллельные гори-зонтали (линии почвы). Пересечение продолжений хорд с одноименными вер-тикальными линиями, проведенными из точек 1, 1', 2, 2' и т. д. диаметра диска, образуют профиль борозды. Аналогично строим профиль борозды для дру-гих дисков.

Отмечаем на профиле борозды глубину обработки а, обозначаем расстояние между гребнями s и замеряем высоту гребней с_д = 160мм. Последнее значение заносим в таблицу 1. Замеряем диаметр диска на уровне поверхности поля D_a= 554,26мм.

Находим площади F, F₁ и f₁ с помощью САПР (Компас-3D), и рассчитываем действительную равномерность об-работки почвы по глубине дисковыми орудиями:

F =	31778,66	мм2
F1 =	22543,71	мм2
f1 =	9234,96	мм2

По результатам расчетов строим график зависимости высоты греб-ней и равномерности обработки почвы по глубине дисковыми орудиями от угла атаки (угол атаки берем из задания). На графике откладываем допустимое по агротребованиям значение высоты гребней, и определяем допустимое зна-чение угла атаки. На листе формата А1 (на котором выстроен профиль дна бо-розды) в масштабе строим указанную зависимость.

Из графика видно, что чем больше угол атаки б, тем меньше глубина обработки почвы, и тем больше коэффициент равномерности обработки почвы.

2.2 Расчет геометрических параметров дискового рабочего органа

Проведенные ранее расчеты позволили получить значения диаметра диска D и радиуса кривизны сферической поверхности R.

Радиус кривизны рабочей поверхности диска является одним из важней-ших параметров, определяющих качество обработки почвы. Чем меньше радиус кривизны, тем диск интенсивнее воздействует на почвенный пласт, лучше его оборачивает и сильнее разрушает.

Угол е находим из выражения:

Толщина сферических дисков (в мм) определяется эмпирической зависи-мостью:

принимаем

Исходя из варианта задания, выбираем схему рабочего органа, в нашем случае это лущильник. И по ниже приведенным формулам рассчитываем основные геометрические параметры диска.

Исходя из условия D<660, в нашем случае D = 640мм <660 принимаем a = 49мм, d = 55мм. Также берем r = 3мм, r₁ = 5мм, r₂ = 20мм, щ = i + ц = 10 + 22 = 32⁰; С = D/8 =640/8 = 80мм; B = (рD)/20 = (3.14Ч640)/20 = 100.48мм; Строим на формате А1 (второй лист) диск и разрез, с обозначением всех необходимых параметров.

2.3 Тяговое сопротивление и силовые характеристики
дисковых рабочих органов

Удельное тяговое сопротивление дисковых почвообрабатывающих агрегатов, работающих на глубину а = 6 - 8 см, отнесенное к 1 м ширины захвата, в зависимости от влажности, твердости и механического состава почвы, может составлять q = 1,4 - 8 кН/м.

Элементарные сопротивления почвы, возникающие на рабочей поверхности и лезвии вертикально установленного сферического диска, не имеют одной равнодействующей силы, они могут быть приведены к динаме, а также к двум перекрещивающимся силам R' и R" (рис. 4). Сила R' лежит в вертикальной плоскости и проходит на расстоянии р от оси вращения диска. По малости плеча р, являющегося радиусом круга трения подшипников, можно считать, что сила R проходит через ось вращения диска.

Сила R" параллельна оси вращения дисков, она находится на расстоянии h от дна борозды, равном примерно половине глубины хода дисков а, и на расстоянии впереди вертикальной плоскости, проведенной через ось вращения дисков. Отрезок мал и его можно приравнять к нулю.

Представить сопротивление почвы, возникающее при работе диска, пере-крещивающимися силами R' и R" удобно как для силового расчета, так и для стендовых нагружений батареи дисков.

Давление почвы на диск можно представить тремя составляющими R_x, R_y и R_z.

Значения коэффициентов m и n, необходимых для определения величины слагающих R_y и R_z борон и лущильников по известному усилию R_x выбираем по таблице 2. Усилие R_x и угол наклона силы R' выбираем из таблицы приложения 4 по вариантам для раздела 2.3.

Выбираем данные исходя из задания:

Диаметр диска D = 510 мм; угол установки (атаки) б = 25⁰; Глубина обра-ботки а = 10см; m = 0.61; n = 1; R_x = 590 Н, угол v приложения силы R^,= 48⁰

Находим значение Ry и Rz:

Находим значение сил R_y и R_z. Строим в масштабе исходя из полученных данных схему сил, действующих да диск. Строим диск в двух проекциях (на втором листе А1). На рисунке откладываем поверхность почвы. Из центра ок-ружности проводим линию действия силы R' под углом v. Из этой же точки откладываем в масштабе (Н/мм) силу R_z. Перпендикулярно действию этой силы проводим линию до пересечения с линией действия силы R'. Точку пересечения этих линий соединяем с центром диска. Получим вектор искомой силы R'. Находим ее численное значение. Откладываем проекцию вектора R". На этой плоскости он будет проецироваться в точку, которая располагается на 2/За вверх от дна борозды по оси диска. Проведя из конца вектора R' линию перпендикулярную к поверхности почвы до пересече-ния с горизонтальной осью диска найдем силу R'_xy. Найденную силу перенесем на вторую проекцию диска. На этой проекции диска откладываем в масштабе силы R_x и R_y. Геометрическая сумма этих сил дает нам силу R. Геометрическая разница между вектором R и R'_xy и будет вектором силы R". Найденные значения сил R' и R" иcпoльзyют проектировщиками для подбора под-шипников и расчета подшипниковых узлов дисковых батарей.

Графически определили величины сил R' = 484.29 Н, и R" = 231.03 H.

Вывод

В результате проделанной курсовой работы я научился проводить анализ работы дискового орудия. Диаметр рассчитываемого мной диска D = 640мм, R = 854.22 мм. Нашел теоретическую высоту гребней , построил профиль борозды. И оценил качество работы дискового орудия по равномерности обработки почвы по глубине

По результатам расчетов построил график зависимости высоты гребней и равномерности обработки почвы по глубине дисковыми орудиями от угла атаки. Из графика видно что при угле атаки б = 21⁰ глубина с = 16см, а в результате расчета мы выяснили что на углах меньше 21⁰ высота гребней будет больше допустимого значении. Чем больше угол, тем меньше будет глубина обработки, и тем больше коэффициент равномерности обработки почвы з.

Также я научился рассчитывать геометрические параметры дискового орудия.

Разобрался в силовых характеристиках дискового орудия. Нашел неизвестные силы R' = 484.29 Н, и R" = 231.03 H.

Литература

1. Сельскохозяйственные машины. Практикум / Под ред. .П. Тарасенко -М.: Колос, 2000.

2. Любимов А.И., Воцкий З.И., Бледных В.В., Рахимов P.P. Практикум по сельскохозяйственным машинам. - М: Колос, 1997.

3. Нартов П.С. Дисковые почвообрабатывающие орудия. - Воронеж.: Из-дательство Воронежского университета, 1972.

4. Стрельбицкий В.Ф. Дисковые почвообрабатывающие машины. - М: Колос, 1978.

5. Булавин С.А., Рыжков А.В. Сельскохозяйственные машины. Методиче-ские указания для выполнения практических работ. - Белгород.: Издательство Белгородской ГСХА, 2007.