Главная Коллекция "Otherreferats" Сельское, лесное хозяйство и землепользование Разработка и обоснование конструкции плужного каналокопателя

Разработка и обоснование конструкции плужного каналокопателя

Обоснование конструкции каналокопателя, способного при уменьшении тягового сопротивления производить качественную нарезку временной сети с улучшенными показателями противофильтрационных свойств. Использование сети мелких транспортирующих каналов.

Рубрика Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 30.01.2019
Размер файла 179,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и обоснование конструкции плужного каналокопателя

Н.Н. Дубенок, С.Я. Семененко

В.Г. Абезин, С.С. Марченко

Аннотации

Целью исследований является разработка и обоснование конструкции каналокопателя, способного при уменьшении тягового сопротивления на 10-15 % производить качественную нарезку временной сети с улучшенными показателями противофильтрационных свойств. Плужный каналокопатель имеет пассивный рабочий орган, который представляет собой два отвала, поставленные под определенным углом один к другому, при этом один из них является зеркальным отражением другого. Каналокопатель имеет лемех и подъемно-отвальную поверхность. В современных оросительных мелиорациях применяются различные способы орошения, в т. ч. и поверхностные. В Волгоградской области таким способом орошается свыше 2,1 тыс. га. Данный способ предполагает использование сети мелких транспортирующих каналов, подающих воду из хозяйственных каналов в поливные борозды. Они нарезаются в земляном русле только на период проведения поливов, в дальнейшем засыпаются и носят название временной оросительной сети. Нарезка сети производится плужными каналокопателями с формированием сечения в полувыемке-полунасыпи. Они просты в изготовлении, надежны в работе и при малой удельной металлоемкости имеют большую производительность. Однако известные конструкции имеют ряд существенных недостатков. Сюда относятся низкое качество нарезаемого профиля, большое тяговое сопротивление. Снизить тяговое сопротивление и улучшить качество работы можно за счет совершенствования конструкции. Одним из важнейших показателей каналокопателя является повышенное тяговое сопротивление, снижение величины которого обеспечивается введением в конструкцию дискового ножа, катка и уплотнительных роликов.

Ключевые слова: лемех, каток, уплотнительные барабаны, дисковый нож, отвалы, уплотнительные ролики, стойки.

The purpose of the research is to develop and substantiate the design of the plow digger, capable of producing a qualitative temporary net-forming furrowing with improved anti-filtration features at reducing the traction resistance by 10-15 %. The plow digger has a passive working attachment, which consists of two blades placed at a certain angle to each other, one of which is a mirror image of the other. More than 2.1 thousand hectares are irrigated in Volgograd region in this way. This method involves the use of a network of small transport canals that feed water from domestic canals to irrigation furrows. They are digged in an earthen bed only for the period of irrigation, then they are filled up and are called the annual irrigation network. The net-forming furrowing is made by plow diggers with the formation of cross-sections in a cut-and-fill way. They are easy to form, reliable in operation and have a low specific metal content. However, the known constructions have a number of significant drawbacks. Among them are low quality of the cut profile, high traction resistance. The design improvement can reduce traction resistance and improve the quality of work. One of the most important indicators of a plow digger is the increased traction resistance, the reduction of which is ensured by introduction of a cutting disk, a roller and compaction rollers into the design.

Keywords: share, roller, seal drums, cutting disk, dumps, sealing rollers, racks.

Основное содержание исследования

Нарезка сети мелких транспортирующих каналов в земляном русле обычно осуществляется плужными каналокопателями [1]. Такая оросительная сеть используется при поверхностных способах полива, при которых вода поступает в почву гравитационным путем или в боковом и вертикальном направлении отдельными струями и впитывается главным образом по капиллярам. Для подачи воды в элементы регулирующей сети (полосы, борозды), а также к дождевальной технике необходима нарезка временных оросителей, которые устраиваются на период полива.

Частота нарезки, или расстояние между оросителями, зависит от применяемой техники полива, топографических условий поля, водно-физических свойств почвы и т.д. Расход воды, подаваемый в ороситель, составляет 30-100 л/с, при этом КПД оросителей должен быть не менее 0,90-0,95. Поскольку трапецеидальное сечение оросителя (с шириной по дну 20-60 см, по верху 70-120 см, заложением откосов 1,0-1,5) выполняется в полувыемке-полунасыпи для обеспечения командования уровня воды над выводными и (или) поливными бороздами не менее 3-5 см, повышаются требования к качеству укладки насыпной части откоса оросителя.

Анализом известных конструкций плужных каналокопателей установлены существенные недостатки их конструкций. Это большое тяговое сопротивление, появление крупных глыб и трещин в откосах канала, увеличение шероховатости и фильтрации ложа канала [2, 3]. Разработанная конструкция плужного каналокопателя в значительной степени лишена перечисленных недостатков [2].

Материалы и методы. Известные конструкции плужных каналокопателей включают стойку со сменными лемехами, отвалы, опорную лыжу и уплотнители откосов [1]. Однако все рабочие органы известных плужных каналокопателей пассивного действия, поэтому качество уплотнения дна и откосов недостаточное, что приводит к перечисленным выше недостаткам [4].

Для уплотнения дна и откосов канала в разработанной конструкции использованы активные уплотнители, обеспечивающие значительное снижение шероховатости дна и откосов, а также фильтрации через ложе канала [5-7].

Результаты и обсуждение. Рабочие органы навесного плужного каналокопателя смонтированы на стойке 1 и включают лемех 2 и корпус 3, выполненный в виде двух отвальных поверхностей (рисунок 1). Корпус 3 в нижней части имеет опору на регулируемый по высоте каток 4, длина которого равна ширине канала по дну при его трапецеидальном сечении.

На наружных кромках корпуса 3 шарнирно закреплены уплотнительные барабаны 5, смонтированные на боковинах отвальных поверхностей с помощью подшипников скольжения 6. Перед заостренной частью корпуса 3 установлен вертикальный дисковый нож 7 на регулируемых по высоте стойках 8. Стойка 1 зафиксирована на навесной системе 9 трактора с помощью растяжек. Отвалы 10 каналокопателя зафиксированы относительно стойки 1 распорками (не показаны). С внутренней стороны отвалов 10 с помощью подшипников скольжения 11 на осях 12 установлены уплотнительные ролики 13, размещенные в окнах 14 отвалов 10. Подшипники 11 прикреплены к отвалам 10 болтами 15. Ролики 13 размещены на отвалах 10 по траектории пласта почвы во время работы плужного каналокопателя. Плужный каналокопатель работает следующим образом.

конструкция каналокопатель плужный

Рисунок 1 - Технологическая схема каналокопателя

каналокопатель навешивается на гусеничный трактор таким образом, чтобы навеска была блокирована от поворота орудия в горизонтальной плоскости при транспортном положении. Глубина канала определяется положением опорного катка 4. При этом длина катка 4 должна соответствовать ширине канала по дну. В рабочем положении рукоятка гидрораспределителя должная быть в плавающем положении. Во время движения плужного каналокопателя в заглубленном состоянии дисковый нож 7 разрезает пласт почвы в вертикальной плоскости, а лемехи 2 подрезают пласт в горизонтальной плоскости и направляют его на отвалы 10 корпуса 3. Использование дискового ножа значительно снижает тяговое сопротивление, так как отсутствует усилие на разрезание пласта передней частью корпуса 3. При перемещении пласта по отвалам 10 ролики 13 взаимодействуют с перемещаемым пластом, а трение скольжения заменяется трением качения, имеющим меньшую величину. Это обеспечивает снижение тягового сопротивления плужного каналокопателя. Корпус 3 в нижней части опирается на каток 4, что обеспечивает дополнительное снижение тягового сопротивления. Кроме того, каток 4 образует выровненное уплотненное дно канала, что позволяет производить облицовку канала без дополнительных операций.

Уплотнительные барабаны 5 обеспечивают выравнивание и уплотнение откосов путем перекатывания барабанов, что обеспечивает снижение тягового сопротивления.

Снижение тягового сопротивления начинает обеспечиваться дисковым ножом 7, который разрезает пласт почвы в вертикальной плоскости. Нож погружен до середины диска и катится без скольжения около точки С [8] (рисунок 2).

Рисунок 2 - Взаимодействие дискового ножа с почвой

Сопротивление элементарного клина АВ на расстоянии направлено в точку D перпендикулярно СА. В сечении АВ угол резания:

,

где - угол заточки клина, градусы;

- угол между вертикалью и направлением силы сопротивлений , градусы.

Элементарная сила влечения:

,

где - давление на единицу площади, кгс/см2;

- толщина диска, мм;

- коэффициент трения.

Так как , то элементарная сила влечения:

,

где - высота заточенной части диска, м.

Из этого уравнения:

Окончательно:

.

Сила влечения дискового ножа на 35 % меньше силы вертикального резания заостренной части каналокопателя.

Наиболее рационально лемех 2 каналокопателя выполнять в виде стрельчатой лапы, которая обеспечивает сход растительных остатков и предотвращает обволакивание ими лемеха.

Лемех имеет угол раствора , угол наклона лезвий к линии, перпендикулярной направлению движения клина, нормальные давления на лезвия лемехов и движущую силу (рисунок 3).

Рисунок 3 - Силы, действующие на лемех в горизонтальной плоскости

Для антифрикционного клина движущая сила и нормальное давление составляют замкнутый силовой треугольник. Из подобия силового треугольника и треугольника АВС:

.

Для учета сил трения требуется увеличить угол наклона лезвий лемехов на угол трения :

, где .

Движущую силу для лемеха можно определить, использовав второй член рациональной формулы В.П. Горячкина [8]:

,

где - удельное сопротивление лемеха, кПа;

- глубина обработки, м;

- ширина захвата лемеха, м.

С увеличением угла тяговое сопротивление возрастает.

Одним из важнейших параметров лемеха является угол установки рабочей грани к горизонтальной плоскости , который обеспечивает крошение пласта.

На грань лемеха действуют следующие силы: реакция недеформированной почвы, находящейся перед клином, - динамическое давление, вызванное силой инерции пласта почвы , сила тяжести пласта , результирующая элементарных нормальных сил и сил трения на рабочей поверхности клина (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема сил, действующих на лемех от пласта почвы

Если принять силу параллельной оси Х, сила инерции пласта почвы образует угол с осью Z, а результирующая отклонена от вертикальной плоскости на угол трения .

Спроецируем все силы на оси Х и Z, в результате получим:

(1)

(2)

Из уравнения (2):

(3)

Подставив значение в уравнение (1), получим:

(4)

Проекции силы из уравнения (3) на оси Х, Z соответственно:

, (5)

Сила тяжести пласта:

(6)

где - толщина пласта, м;

- ширина и длина рабочей поверхности лемеха, м;

- плотность почвы, кг/м3;

- ускорение свободного падения, м/с2.

Давление пласта почвы от силы инерции:

(7)

где - среднее ускорение, сообщаемое пласту почвы, м/с2;

- масса пласта, кг.

Воздействие лемеха на пласт почвы сообщает ему скорость от = 0 до , а среднее ускорение, сообщаемое пласту:

(8)

где - время движения частицы пласта по лемеху, с;

- относительная скорость, м/с.

Так как

, , , то:

где - длина пути, который проходит частица пласта, м.

После подстановки значений и в уравнение (7) получим:

. (9)

Подставив значения силы из уравнения (6) и силы из уравнения (9) в уравнение (5) и выполнив необходимые преобразования, получим:

(10)

Разложив уравнение (10) на составляющие, получим:

, (11)

(12)

Уравнение (11) определяет усилие для преодоления статического давления пласта от силы тяжести, а уравнение (12) определяет усилие для преодоления давления пласта от силы инерции . Обе составляющие зависят от угла крошения пласта и коэффициента трения почвы о рабочую поверхность лемеха [9].

Максимальная величина реакции (подпор пласта) составляет:

.

Определим , используя уравнение (4):

,

где - временное сопротивление почвы сжатию, Па.

Подставив значения и из уравнений (6), (8), получим:

Отсюда следует, что напряжение сжатия и вероятность сгруживания почвы возрастают с увеличением длины клина, угла крошения и скорости движения, плотности почвы и коэффициента трения и не зависят от величины поперечного сечения пласта [10].

На каждый участок корпуса каналокопателя действуют нормальные и касательные силы, которые имеют различную величину и направление в разных точках криволинейной поверхности и не приводятся к одной равнодействующей.

Для определения силы тяги каналокопателя можно использовать рациональную формулу В.П. Горячкина [8]:

,

где - коэффициент, аналогичный коэффициенту трения;

- сила тяжести каналокопателя, Н;

- коэффициент удельного сопротивления, Па;

- размеры сечения пласта, м;

- коэффициент, зависящий от формы отвала и свойств почвы;

- плотность почвы, кг/м3;

- скорость, м/с.

Величина - сопротивление передвижению и трению корпуса о дно и стенки каналокопателя - не зависит от скорости [11].

Величина - усилие, необходимое для деформации пласта.

В течение каждой секунды через отвалы проходит объем почвы, соответствующий секундной массе . Скорость частиц перемещаемой почвы пропорциональна скорости каналокопателя .

Кинетическая энергия, сообщаемая пласту почвы:

.

Уравнение направляющей кривой:

.

Для определения коэффициентов А, B, С, D необходимо решение системы уравнений:

При , :

,

где , - значения последней координаты лемеха на направляющей кривой по осям Х и Z, м;

- ширина лемеха, м; обычно = 0,12.0,15 м;

- угол установки лемеха к дну траншеи, градусы;

- угол установки крыла отвала к направлению движения, градусы;

- угол между направляющей кривой в зоне лемеха и горизонтом, градусы.

В верхней точке направляющей кривой:

где - угол установки крыла отвала к направлению движения, градусы;

- угол установки крыла отвала к направлению движения, градусы;

- вылет направляющей кривой, м;

- высота лобового контура лемешно-отвальной поверхности, м.

Тяговое сопротивление плужного каналокопателя можно определять по формуле [12]:

,

де - сила трения грунта о рабочую поверхность плужного каналокопателя, кН;

- сопротивление перемещению опорного устройства, кН;

- усилие, необходимое для придания пласту запаса кинетической энергии, кН;

- усилие, затрачиваемое на подъем пласта, кН;

- сопротивление деформации пласта, кН.

Суммарная реакция грунта на рабочий орган плужного каналокопателя:

Угол наклона равнодействующей реакции грунта к горизонту:

,

где - составляющие суммарной реакции грунта на рабочий орган каналокопателя, кН.

Координаты равнодействующей реакции принимаем для супесей и для суглинков [8].

Сопротивление перемещению опорного устройства определяют по формуле Грандвуане - Горячкина [13]:

(13)

где - сила тяжести катка и приходящаяся на его долю сила тяжести каналокопателя, кН;

- коэффициент объемного смятия почвы, Н/см2;

- ширина катка, м;

- диаметр катка, м.

Из формулы (13) следует, что для снижения сопротивления следует увеличивать диаметр катка, однако его диаметр ограничивается конструктивными параметрами каналокопателя.

Аналогично определяется сопротивление уплотнительных барабанов 5 и уплотнительных роликов 13 (рисунок 1), которые обеспечивают замену трения скольжения на трение качения, что значительно снижает тяговое сопротивление поверхностей трения.

Каналокопатели работают при скоростях до 1 м/с, поэтому скоростная составляющая имеет небольшую величину [14]:

.

Сопротивление деформации пласта определяется из формулы В.П. Горячкина [8]:

,

где - коэффициент деформации на единицу площади;

- поперечные размеры пластов, м.

Эксплуатационная производительность каналокопателя:

,

где - площадь поперечного сечения канала, м2;

- рабочая скорость, м/мин;

- коэффициент использования машины по времени.

Выводы

Разработанная конструкция плужного каналокопателя позволяет значительно снизить тяговое сопротивление, обеспечивает получение уплотненного дна и откосов, создает благоприятные условия для укладки противофильтрационного экрана, повышает производительность и коэффициент полезного действия. Возможно его использование для устройства нагорных каналов, каналов сбросной сети на орошаемых землях, открытой дренажной сети.

Список использованных источников

1. Борщов, Т.С. Мелиоративные машины: учеб. пособие / Т.С. Борщов, Р.А. Мансуров, В.А. Сергеев. - Л.: Агропромиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 288 с.

2. Пат.2620640 С1 Российская Федерация, МПК Е 02 F 5/02, А 01 В 13/02. Плужный каналокопатель / Семененко С.Я., Абезин В.Г., Дубенок Н.Н., Мазепа М.В., Лобойко В.Ф., Семененко А. С.; заявитель и патентообладатель Федер. науч. центр агроэкологии Рос. акад. наук. - № 2016110029; заявл.18.03.16; опубл.29.05.17, Бюл. № 16.

3. Шаршак, В.К. Плужные каналокопатели / В.К. Шаршак. - Новочеркасск, 1972. - 66 с.

4. Исаев, А.П. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов / А.П. Исаев, Б.И. Сергеев, В.А. Дидур. - М.: Агропромиздат, 1990. - 400 с.

5. Асанов, В.В. Разработка универсального плуга-каналокопателя ПКН-0,6/В.В. Асанов // Механизация лесохозяйственных работ на Северо-Западе таежной зоны: сб. науч. тр. - СПб.: СПбНИИЛХ, 1992. - С.24-30.

6. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: справочник / под ред.Б. Б. Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с.

7. Справочник по гидравлическим расчетам / под ред.П.Г. Киселёва. - Изд.5-е. - М.: Энергия, 1974. - 312 с.

8. Горячкин, В.П. Собрание сочинений в трех томах. Т.2/В.П. Горячкин; под ред. Н.Д. Лучинского. - М.: Колос, 1965. - 459 с.

9. Абразков, Ф.К. Адаптация рабочих органов экскаваторов к условиям работы / Ф.К. Абразков // Строительные и другие механизмы. - 1999. - № 5. - С.23-27.

10. Ревин, Ю.Г. Оценка динамики землеройно-мелиоративной машины с пассивным рабочим органом / Ю.Г. Ревин // Известия Тульского государственного университета. Серия: Подъемно-транспортные машины и оборудование. - 2003. - № 4. - С.38-41.

11. Ревин, Ю.Г. Оценка динамической нагруженности землеройно-мелиоративной машины с пассивным рабочим органом / Ю.Г. Ревин // Природообустройство. - 2011. - № 3. - С.90-93.

12. Практикум по сельскохозяйственным и мелиоративным машинам: учеб. пособие / В.Г. Абезин, А.Л. Сальников, О.Н. Беспалова, В.Н. Руденко. - М.: КНОРУС; Астрахань: Астрах. ун-т, 2016. - 136 c.

13. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины / Г.Е. Листопад [и др.]; под общ. ред. Г.Е. Листопада. - М.: Агропромиздат, 1986. - 688 с.

14. Курсовое и дипломное проектирование по мелиоративным машинам / Г.В. Суслов, А.Ф. Совков, А.Г. Кондратьев, В.В. Сконодобов; под ред. Г.В. Суслова. - М.: Колос, 1997. - 143 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены