Моделирование процесса работы пахотно-фрезерного агрегата

Анализируя конструктивные особенности современной комбинированной почвообрабатывающей техники, можно заключить, что накопленный опыт представляет большой интерес при ее совершенствовании в направлении обеспечения полного оборота пласта, измельчения глыб и комков почвы, растительных остатков и параллельной их заделки в почву, выравнивания и уплотнения почвенной поверхности. Использованием специальных приспособлений, параллельно с уплотнением обрабатываемого слоя (с глубины 0,05…0,06 м), производится дополнительное крошение почвенного пласта и выравнивание поверхности поля.

Основные недостатки комбинированной почвообрабатывающей техники с пассивными рабочими органами: необходимость в наличии больших полос для разворота; низкое качество подготовки средне- и тяжелосуглинистых почв к выполнению посевных работ.

С целью подготовки средне- и тяжелосуглинистых почв к посеву совершаются 3…5 проходов с использованием тяжелых дисковых борон или оставляется вспаханное поле до весны с тем, чтобы выпадающие атмосферные осадки обеспечили крошение почвенных глыб и комков. Данная технология подготовки почв к посеву сопровождается большими потерями времени, значительным уплотнением почвы, чрезмерным расходом горюче-смазочных материалов и повышенными затратами труда.

В современных условиях на передний план выдвигается проблема: загрузить энергонасыщенные скоростные колесные трактора, так как увеличение мощности двигателя зачастую не сопровождается ростом тягового усилия.

Реализация через ВОМ трактора неиспользуемой мощности двигателя обеспечивается применением активных рабочих органов совместно с плугом. Кроме того, при попутном вращении активного рабочего органа обеспечивается возникновение «подталкивающей» силы, направленной в сторону передвижения агрегата.

С целью систематизации и учета имеющихся достижений в области исследования почвообрабатывающей техники, имеющей активные рабочие органы, проблемы теории и расчета почвообрабатывающих машин рассмотрены на примере технических средств с ротационными рабочими органами.

С учетом того, что ротационные почвообрабатывающие технические средства, в частности, фрезы, характеризуются высокими энергетическими затратами, важно в ходе проведения теоретических исследований установить параметры, которые бы обеспечивали минимум энергоёмкости обработки почвы.

Для решения данной проблемы предлагается пахотно-фрезерный агрегат [1-10]. Конструктивно-технологическая схема предлагаемого агрегата показана на рис. 1. Он состоит из плуга 1 и измельчителя 2, выполненного в форме цилиндрического барабана с вырезами на его поверхности, образующими секции, жестко соединенные между собой. На цилиндрической поверхности секций установлены три режущих (3) и три ударных (4) ножа по касательной к окружности (сечение А-А). Ударные ножи размещены под углом относительно друг друга.

Секции измельчителя посредством распорок жестко соединены с валом 5, выходные концы которого установлены в подшипниковых опорах 6 на раме 7 с возможностью вращения по часовой стрелке вокруг своей оси. Рама 7 прикреплена к несущей балке 8, которая соединена с рамой 1 плуга с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, при этом измельчитель установлен на раме 7 с возможностью регулирования глубины вхождения режущих и ударных ножей в почву посредством гибкой связи 9 подвески 10 измельчителя. Регулировкой натяжения гибкой связи 9 устанавливается необходимая глубина вхождения режущих 3 и ударных 4 ножей в почву.

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема пахотно-фрезерного агрегата:

1 - рама плуга; 2 - измельчитель; 3 - режущий нож; 4 - ударный нож; 5 - вал; 6, 19 - опорные подшипники качения; 7 - рама измельчителя; 8 - несущая балка; 9 - гибкая связь; 10 - подвеска; 11 - металлическая планка; 12 - цепная передача; 13 - конический редуктор; 14 - телескопический карданный вал; 15 - ведущий карданный вал; 16 - предохранительный механизм; 17, 20 - крестовины; 18 - промежуточный вал

Измельчитель установлен под углом относительно рамы 1 плуга и фиксируется в определенном положении металлической планкой 11, соединяющей несущую балку 8 с рамой 1 плуга. На несущей балке 8 выполнены тарированные отверстия, куда вставляется штырь металлической планки 11, и тем самым обеспечивается необходимый угол установки измельчителя 2.

Измельчитель снабжен механизмом привода от ВОМ трактора. Регулирование передаточного отношения осуществляется изменением числа зубьев звездочек цепной передачи 12. Механизм привода выполнен в виде цепной передачи 12, конического редуктора 13, телескопического 14 и ведущего 15 карданных валов и предохранительного механизма 16. Один конец предохранительного механизма 16 посредством крестовины 17 связан с телескопическим карданным валом 14, а другой его конец через промежуточный вал 18, опирающийся на два опорных подшипника качения 19, крестовину 20 и ведущий карданный вал 15, соединен с ВОМ трактора.

Пахотно-фрезерный агрегат работает следующим образом. Включив рабочую передачу трактора, механизатор начинает вспашку почвы, при этом режущие и ударные ножи входят во вспаханную почву на глубину высева семян, и начинается процесс измельчения почвенных глыб, комков и растительных остатков с выравниванием поверхности почвы.

При вращательном движении режущие ножи вклиниваются в комковатую структуру почвенных глыб, разрезают их, измельчают и заделывают измельченные растительные остатки в почву, при этом ударные ножи разбивают почвенные комки. При поступательном перемещении режущие ножи посредством боковых поверхностей перемещают разрыхленную почву в сторону и заравнивают борозды, образованные плугом во время вспашки. Комки почвы, прошедшие режущие и ударные ножи, попадая в межсекционное пространство измельчителя и соударяясь друг с другом, дополнительно крошатся и равномерно распределяются по поверхности почвы. Тем самым подготавливается только посевной слой почвы, а нижний вспаханный слой почвы остается без изменения. Такой процесс подготовки почвы к посеву позволяет сохранить почвенную влагу на глубине, что стимулирует быстрый всход семян.

При встрече с труднопреодолимыми препятствиями срабатывает предохранительный механизм 16, который отсоединяет телескопический карданный вал 14 от ведущего карданного вала 15, и передача крутящего момента от ВОМ трактора к измельчителю прерывается. При этом рама 7 вместе с измельчителем, перемещаясь вверх, преодолевает препятствие, и агрегат продолжает обработку почвы.

Конструкция описываемого пахотно-фрезерного агрегата в сравнении с существующими комбинированными почвообрабатывающими агрегатами имеет следующие преимущества: способность проведения одновременно вспашки почвы с измельчением крупных почвенных глыб, комков, растительных остатков и выравниванием поверхности почвы; способность изменения угла установки измельчителя активного действия и глубины обработки почвы в зависимости от типа почв; высокое качество подготовки почв к посеву; способность снизить энергозатраты за счет выполнения нескольких операций при подготовке почв к посеву за один проход агрегата; не требует изготовления дорогостоящих узлов и деталей; требуется меньшее количество тракторов для подготовки почв к посеву.

Ряд исследователей [11, 12] полагают, что абсолютная скорость частицы почвы при отрыве от лезвия равна сумме окружной скорости конечной точки лезвия и скорости передвижения агрегата. Также сопротивление воздуха не учитывается. При проведении расчетов принимаем эти допущения.

Определим величину угла установки ножа с учетом сил, приложенных в точке (рис. 2).

Рис. 2. Схема к установлению угла установки ножа

Согласно рис. 3:

Рис. 3. Схема действующих сил

где: , , - силы резания, Н; , , - силы трения в системе «комок почвы-поверхность почвы», Н; , , - силы трения в системе «рабочий орган-комок почвы», Н; , - силы нормальной реакции комка почвы, Н.

Величины составляющих сил резания определятся по зависимостям:

где - угол атаки, град.

Силы трения в системе «комок почвы-поверхность почвы» определяются согласно выражениям:

где - угол трения в системе «комок почвы - поверхность почвы», град.

Установить значение проекций сил трения в системе «рабочий орган - комок почвы» можно по зависимостям:

где - угол трения в системе «рабочий орган - комок почвы», град.

Из зависимости (1) можно определить значение силы нормальной реакции комка почвы:

С учетом изложенного, получим:

где:

Произведя некоторые преобразования выражения (14) с учетом того, что:

получим:

После решения уравнения (19) находим зависимость, позволяющую рассчитать угол установки ножа рабочего органа (рис. 4):

Рис. 4. Влияние глубины обработки почвы на угол установки ножа (при =250)