Обґрунтування параметрів висувної секції з вертикальною фрезою для обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. У садах застосовують різні системи утримання ґрунту (чорний пар, задерніння ґрунту), але при будь-якій з них міжстовбурні смуги потребують обробітку. Для цього застосовують різні типи робочих органів: ножові, культиваторні лапи, дискові і фрезерні. Узагальнення вітчизняного та зарубіжного досвіду свідчить, що ножові робочі органи, якими укомплектовані серійні культиватори (КСГ-5, КСМ-5), не можуть працювати на ущільнених ґрунтах та при значній забур'яненості. Більш роботоздатними та універсальними є висувні секції з фрезерними робочими органами, які бувають горизонтальними та вертикальними. На сьогодні найбільш поширені фрези з горизонтальною віссю обертання, але вони мають відносно високу енергоємність і обумовлюють значне розпилювання ґрунту. Як робочий орган висувної секції горизонтальні фрези не забезпечують необхідної якості обробітку ґрунту в процесі обходження стовбура дерева. Тому за останні роки у світовому садівництві для обробітку міжстовбурних смуг почали використовувати фрези з вертикальною віссю обертання. Вони менш енергоємні, забезпечують високу рівномірність обробітку ґрунту по глибині і істотно не змінюють якості роботи при обходженні стовбурів дерев. Остання властивість особливо важлива в садах інтенсивного типу, оскільки при загущеній схемі посадки площа обробітку ґрунту в процесі обходження стовбура значна.

В Україні, а також у державах СНД висувні секції з вертикальними фрезами серійно не випускаються.

З аналізу опублікованих досліджень вертикальних фрез відомо, що їх діаметр приймається від 0,1 до 0,8 м; величина висування в поперечному напрямку 0,35…0,50 м; швидкість агрегату (переносного руху) - 0,48…1,30 м/с; швидкість різання 2,5…6,0 м/с. У більшості випадків метою досліджень було досягнення мінімальних енерговитрат. Детально не досліджувалися питання наукового обґрунтування основних параметрів (діаметра та поперечного висування фрези, кута установки вертикальних частин ножів з урахуванням їх геометрії, а також параметрів процесу обходження фрезою стовбура дерева, які забезпечують мінімальну необроблену площу).

Тому дослідження цих питань є актуальними.

Мета та задачі досліджень. Мета роботи - підвищення ефективності процесу обробітку ґрунту у міжстовбурних смугах садів інтенсивного типу шляхом вдосконалення висувної секції з вертикальною фрезою.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- Проаналізувати технологічні процеси та засоби механізації обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу.

- Теоретично та експериментально дослідити процес обробітку ґрунту фрезою з вертикальним валом обертання.

- Обґрунтувати основні параметри висувної секції з вертикальною фрезою в залежності від статистичних характеристик міжстовбурної смуги.

- Теоретично обґрунтувати траєкторію руху центра обертання фрези при обходженні нею стовбура дерева, яка забезпечить мінімальну необроблену площу.

- Експериментально визначити якісні, експлуатаційні та економічні показники роботи висувної секції з вертикальною фрезою.

1. Аналітичний огляд механізації обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу

Наведено стислий огляд технологій, технічних засобів і результатів досліджень за темою, визначено напрямки вдосконалення процесу обробітку ґрунту в міжстовбурних смугах садів інтенсивного типу.

Загальні теоретичні основи обробітку ґрунту базуються на фундаментальних наукових працях В.П. Горячкіна, В.О. Желіговського, П.М. Василенка, Г.М. Синєокова, А.С. Кушнарьова, М.Н. Нагорного, Л.Ф. Бабіцкого, В.О. Дубровіна, Я.С. Гукова, І.А. Шевченка та ін.

Значний внесок у розробку теорії ґрунтообробних машин з активними органами зробили А.Д. Далін, П.В. Жук, І.С. Полтавцев, Н.Ф. Канєв, Г.Ф. Попов, І.М. Панов, С.С. Яцук, А.Р. Лук'янов, В.В. Меліхов та ін.

Над вирішенням проблеми механізації обробітку гранту у міжстовбурних смугах багаторічних насаджень працювали П.Т. Бабій, І.Б. Беренштейн, Я.З. Жилицький, М.І. Герасимов, А.П. Худолій, С.В. Чудак, М.Л. Смелянський, В.Т. Малютяк, В.Б. Мостовський та ін.

Для обробітку міжстовбурних смуг в інтенсивних садах найбільш перспективними є висувні секції з вертикальними фрезами, оскільки вони істотно не погіршують якості роботи в процесі обходження стовбурів, кількість яких в садах інтенсивного типу значно більша, ніж у звичайних.

Аналізом опублікованих досліджень вертикальних фрез встановлено, що вони мають певні переваги порівняно з горизонтальними. Обґрунтовано також параметри різних типів ножів, та виконано їх енергетичну оцінку. Але такі питання як залежність основних параметрів висувної секції (діаметр, величина висування, довжина щупа) та залежність величини необробленої площі навколо стовбура від параметрів процесу обходження фрезою стовбура, не досліджувалися. Ці питання є предметом даних досліджень

2. Теоретичні дослідження обробітку міжстовбурних смуг у садах фрезами з вертикальною віссю обертання

Уточнено аналітичну залежність заднього кута різання вертикальної частини ножа фрези від кінематичного параметра руху фрези з урахуванням кута загострення. Встановлено аналітичні залежності мінімальних значень діаметра фрези, величини висування та довжини щупа від статистичних характеристик міжстовбурної смуги, величини захисної зони та кінематичного параметра процесу обертання важеля з фрезою при обходженні стовбура.

Оскільки фреза має обертальний рух і переміщується поступально, кожна точка ножа рухається по траєкторії, яка має форму циклоїди.

У процесі повертання фрези задній кут різання змінюється. Щоб цей кут був не менше допустимого (50), необхідно вертикальну частину ножа встановлювати під певним кутом до дотичної. Недотримання цієї вимоги призводить до зминання ґрунту та збільшення опору.

За багатьма літературними даними передній кут різання (кут кришення) бажано мати не більше 300, тому кут установки площини вертикальної частини ножа до напрямку різання має бути в межах 20…300, а кінематичний параметр.

Для аналітичного визначення основних параметрів висувної секції з вертикальною фрезою, розглянемо процес обходження нею стовбура дерева. Фреза 1 обертається навколо вісі O1, яка розміщена на важелі 2, що може обертатись навколо вісі А1. При русі агрегату фреза повинна забезпечити обробіток міжстовбурної смуги (з однієї сторони ряду), яка має середню ширину. Можливі відхилення стовбурів дерев у поперечному напрямку - до.

Мінімальний діаметр фрези визначається з умови повного обробітку міжстовбурної смуги при можливих коливаннях відхилень агрегату та ширини міжстовбурної смуги.

Величина висування фрези L визначається з умови, що в усіх випадках при обходженні стовбура віддаль між робочими органами фрези та стовбуром не буде меншою за допустиму величину захисної зони.

Необхідна довжина щупа визначається за умови, що він буде знаходитись у стані дотику до стовбура дерева увесь час проходження фрезерного агрегату від початку виведення фрези із смуги до початку введення її у смугу. Найбільша необхідна його довжина буде у тому випадку, коли агрегат з центром обертання щупа знаходиться у крайньому лівому положенні, а стовбур найбільше відхилений у праву сторону від осі ряду.

Мінімальна захисна зона при можливих відхиленнях фрези у поперечному напрямку забезпечується при певній відстані між центрами обертання щупа і фрези в момент початку її виведення.

Основним показником якості роботи висувної секції є площа необробленої ділянки навколо стовбура. Якщо умовно траєкторії руху центра обертання фрези в процесі обходження стовбура прийняти прямолінійними, величина необробленої площі дорівнює сумі площ трикутника ДСЕ та прямокутника ВДЕО.

Заміна кривих ліній прямими істотно не вплине на розрахункову величину необробленої площі.

За середнє значення кутів та нами прийнято їх величини, що відповідають середній частині траєкторії.

У попередньому аналізі руху фрези при обходженні стовбура нами прийнято, що кутова швидкість важеля постійна. В дійсності з початку обертання важеля має місце його розгін, за час якого змінюється від 0 до сталої величини, яка визначається подачею робочої рідини в гідроциліндр. Для прийнятих режимів роботи с-1, а загальний час повороту важеля становить близько 0,8 с.

Щоб визначити, яку долю загального часу складає час розгону, виконано відповідний аналіз.

Прийняті такі позначення параметрів процесу:

- момент інерції фрези разом з важелем і жорстко з'єднаними з ним масами відносно вертикальної вісі, кг•м2;

- кут крайнього положення важеля АВ;

- кут повороту важеля АВ, довільне положення;

- рушійна сила від гідроциліндра, Н;

- сила технологічного опору з боку ґрунту, Н;

- відстань точки закріплення штока гідроциліндра на важелі до вісі його обертання, м;

- довжина важеля, м;

- кут розташування міжосьової лінії АД.

Процес розгону важеля до с-1 становить 0,09 с, що відповідає % загального часу. Таким чином, неврахування часу розгону істотно не впливає на виявлені закономірності обходу фрезою стовбура дерева.

3. Програма і методика експериментальних досліджень

Викладено програму досліджень, описано прилади, дослідні установки і методи проведення експериментальних досліджень.

Програмою досліджень передбачалось встановлення залежності енергетичних та якісних показників роботи вертикальної фрези від кута установки вертикальної частини ножа, визначення часу протікання процесів висування фрези та якісних і експлуатаційних показників її роботи у польових умовах.

Дослідження залежності показників роботи фрези (тягового опору, потужності та висоти гребенів) проводили за допомогою дослідної установки. Досліди виконували у ґрунтовому каналі при швидкостях руху 0,38…0,80 м/с, частоті обертання фрези - 80…150 хв-1, коловій швидкості різання 3,2; 4,2; 6,0 м/с. Кут установки вертикальної частини ножа - 10; 20 і 300.

Час протікання процесів висування фрези визначали методами вимірювання тиску в гідросистемі. Вимірювальне обладнання включало генератор змінного струму, персональний комп'ютер, плату АЦП, перетворювача (R(Ом) > U (В)) та датчик тиску. Досліди проводили при віддалях між деревами в ряду 1; 1,5 і 2 м.

Якісні та експлуатаційні показники визначали під час роботи макетного зразка висувної секції з вертикальною фрезою у дворічному та п'ятирічному садах дослідного господарства Інституту садівництва УААН. Визначали статистичні характеристики ширини необробленої смуги, відхилення стовбурів дерев від вісі ряду, коливань агрегату в поперечному напрямку, глибини обробітку, висоти гребенів, величини необроблених площ навколо стовбурів дерев, а також ступінь підрізання бур'янів. Методом хронометражу визначали продуктивність та витрату палива.

4. Аналіз результатів експериментальних досліджень

Наведено основні експериментальні результати.

Із графічних залежностей можна заключити, що мінімальні значення потужності та висоти гребенів відповідають умові , тобто є близькі до теоретичних. Збільшення швидкості призводить до значного підвищення потужності та тягового опору.

Дослідженнями процесів обходження фрезою стовбурів дерев встановлено, що час виведення фрези з міжстовбурної смуги та введення її у цю ж смугу становив відповідно 0,58...0,62 с та 0,69...0,80 с незалежно від віддалі між деревами у ряду та швидкості агрегату. Від швидкості агрегату залежить шлях його проходження в процесах виведення та введення, а також з висунутою фрезою.

Від часу висування та входження фрези залежать кути та між траєкторіями руху центра обертання фрези та напрямком руху. Теоретичними дослідженнями обґрунтовано кінематичний параметр руху центра фрези, який забезпечує кути.

У теоретичному розділі обґрунтовано залежності діаметра фрези, величини її висування та параметри щупа від статистичних характеристик ширини міжстовбурної смуги та , відхилення стовбурів дерев від вісі ряду та відхилення траєкторії руху фрезерного агрегату у поперечному напрямку . За результатами експериментальних досліджень. У межах швидкості агрегату 0,41...0,95 м/с величина істотно не змінюється.

У виробничих умовах отримані достатньо задовільні якісні показники роботи вертикальної фрези. У діапазоні швидкостей агрегату 0,41...0,95 м/с середня глибина рихлення була в межах 0,084...0,085 м при обробітку смуги та 0,077...0,080 м при обходженні стовбура. Коефіцієнт варіації був у межах 20...27 %. Ступінь підрізання бур'янів становив 99,4 % при швидкості агрегату 0,41 м/с та 98 % при швидкості 0,95 м/с. Статистичні характеристики висоти гребенів після проходу фрези при обробітку міжстовбурної смуги та при обходженні стовбура істотно не відрізнялися.

При збільшенні швидкості руху агрегату висота гребенів збільшується. При м/с середня висота гребенів становила 0,045...0,047 м, а при м/с - 0,082...0,083; коефіцієнт варіації був у межах 7,5...11,3 %. Середня необроблена фрезою площа навколо стовбура становила 0,213 м2. За теоретичними розрахунками при ; ця площа становить 0,222 м2. Різницю можна вважати незначною.

Апробація результатів досліджень у виробництві, їх техніко-економічна ефективність” наведено експлуатаційні показники та розрахункова економічна ефективність. За результатами хронометражу при середній швидкості агрегату 1,32 км/год продуктивність за годину основної роботи становила 0,33 га, а за годину змінного часу - 0,318 га. Витрата палива склала 6,8 кг/га. Економія затрат праці - 12,64 люд.год/га, а витрат коштів - 21,03 грн/га.

Висновки

технологічний фреза механізація необроблений

1. Аналіз технологічних процесів та засобів механізації показав, що ґрунт у міжряддях садів інтенсивного типу обробляється різними типами робочих органів машин (диски, культиваторні лапи, лемеші тощо), а у міжстовбурних смугах, які переважно обробляються вручну, найбільш раціонально виконувати активними робочими органами, дослідження яких потребує істотного поглиблення.

2. Теоретичними та експериментальними дослідженнями процесу обробітку ґрунту фрезою з вертикальним валом обертання і L-подібними ножами встановлено, що вертикальні частини ножа повинні мати верхнє загострення і встановлюватись під кутом 20…300 до напрямку різання.

3. Обґрунтовано теоретичні залежності діаметра фрези, величини висування у поперечному напрямку, довжини щупа та місця його установки в повздовжньому напрямку від статистичних характеристик ширини необробленої смуги, відхилень дерев від вісі ряду в поперечному напрямку та відхилень фрезерного агрегату.

4. Встановлена аналітична залежність мінімальної необробленої площі навколо стовбура дерева від кінематичного параметра висувної секції та статистичних характеристик міжстовбурної смуги. Найменша необроблена площа (0,222 м2) забезпечується при кінематичному параметрі руху центра обертання фрези, величина якого становить . При цьому кут нахилу траєкторії абсолютного руху центра обертання фрези у процесі виведення її з міжстовбурної смуги складає , а у процесі введення - .

5. У результаті виконаних теоретичних та експериментальних досліджень висувної секції з вертикальною фрезою з чотирма L-подібними ножами встановлено такі параметри: діаметр фрези - 0,46 м; кут установки вертикальної частини ножа до напрямку різання - 230; довжина горизонтальної частини ножа - 0,10 м; величина висування фрези в поперечному напрямку - 0,5 м; довжина щупа - 0,82 м; довжина поворотного важеля - 0,7 м; подача на ніж - 0,08…0,12 м; кінематичний параметр робочого процесу фрези ; кінематичний параметр процесу повороту важеля (процесу висування) -; швидкість руху агрегату - до 3,6 км/год.

6. У процесі досліджень макетного зразка висувної секції з вертикальною фрезою отримані показники якості, що відповідають агровимогам: глибина обробітку 0,077…0,085 м, %; ступінь підрізання бур'янів - 98...100 %; висота гребенів - 0,045…0,083 м; площа необробленої фрезою зони навколо стовбура 0,213 м2, %.

7. Обробіток міжстовбурних смуг у садах інтенсивного типу із застосуванням висувної секції з обґрунтованими параметрами фрези забезпечує у порівнянні з разовим ручним обробітком гектара саду економію коштів 21 грн. та затрат праці - 12,6 люд.год. при кращій якості.

Результати досліджень передано для впровадження у виробництво інженерному центру Інституту садівництва УААН.

Література

1. Фришев С.Г., Розум М.І., Тимошок І.В., Алдушин П.І., Шатров Р.В. Механізація обробітку ґрунту в ущільнених садах // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". - К.: НАУ, 1998. -№ 4. - С. 234-237.

2. Демидко М.О., Шатров Р.В. Теоретичний аналіз опору ґрунту при переміщенні двогранного клина // Науковий вісник НАУ. - К.: НАУ, 1998. - № 9. - С. 75-80.

3. Мартишко В.М., Шатров Р.В., Бабій В.П., Фришев С.Г. Результати досліджень фрези з вертикальною віссю обертання // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". - К.: НАУ, 1999. - № 5. - С. 179-182.

4. Мартишко В.М., Шатров Р.В. Обґрунтування деяких параметрів вертикального ротора фрези для обробітку ґрунту в міжстовбурній смузі саду // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". - К.: НАУ, 1999. - № 6. - С. 70-73.

5. Шатров Р.В. Загальна характеристика садів інтенсивного типу та проблеми використання техніки для міжстовбурного обробітку ґрунту // Зб. наук. праць НАУ. „Механізація сільськогосподарського виробництва”. - К.: НАУ, 2000. - № 7. - С. 110-113.

6. Шатров Р.В. Кінематика робочих органів фрези з вертикальним валом обертання // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". - К.: НАУ, 2000. - № 8. - С. 175-177.

7. Демидко М.О., Шатров Р.В. Обґрунтування параметрів висувної секції садової фрези // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва. - К.: НАУ, 2003. - № 15. - с. 184-188.

Размещено на Allbest.ru