Экспериментальное исследование мощности, затрачиваемой на срезание древесно-кустарниковой растительности усовершенствованным ножом роторной косилки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование мощности, затрачиваемой на срезание древесно-кустарниковой растительности усовершенствованным ножом роторной косилки

В.А. Шаршунов,

Е.И. Мажугин,

С.Г. Рубец

Аннотация

мощность срезание косилка нож

В статье представлены методика и результаты экспериментальных исследований по определению мощности, затрачиваемой на срезание древесно-кустарниковой растительности усовершенствованными ножами роторной косилки. Получено уравнение, которое отражает зависимость мощности, затрачиваемой на срезание растительности, от угла заострения режущих кромок ножа, угла расхождения режущих кромок ножа и поступательной скорости перемещения режущего аппарата косилки.

Annotation

The article presents methods and results of experimental research into determination of power needed for cutting tree-like shrubs by improved knives of rotor mower. We have obtained equation which reflects the dependence of power needed for cutting shrubs on the angle of sharpening of cutting edges of knife, the angle of divergence of cutting edges of knife and progressive speed of moving of cutting apparatus of mower.

Введение

Среди главных элементов, от исправности которых зависит функционирование всей мелиоративной системы, важное место занимают проводящие каналы. При неудовлетворительном выполнении эксплуатационно-ремонтных работ каналы заиливаются, в русле развивается водная растительность, на откосах и бермах достаточно быстро отрастают сорняки и древесно-кустарниковая растительность [1]. Одной из основных операций по поддержанию мелиоративных каналов в работоспособном состоянии является их окашивание, которое необходимо периодически производить в течение всего вегетационного периода. Поэтому каналоокашивающие машины являются неотъемлемой частью комплекса машин по уходу за каналами [2]. Однако применяющиеся для окашивания косилки не учитывают специфических особенностей работы на мелиоративных системах, что делает актуальной задачу совершенствования их режущих аппаратов.

Анализ источников

В настоящее время как за рубежом, так и у нас в стране широко используются роторные косилки с осью вращения перпендикулярной окашиваемой поверхности, которые могут работать на высоких поступательных скоростях, относительно надежны и качественно производят срезание травянистой растительности и кустарниковой поросли.

В отличие от сельскохозяйственных косилок, косилки, применяющиеся для работы на мелиоративных системах, в основном окашивают наклонные поверхности (откосы каналов, дамб, дорог). Зачастую на этих объектах травянистая растительность имеет грубые стебли, в периметре каналов и на откосах дорог допускается наличие кустарниковой поросли, которая часто перерастает в кустарник и даже мелколесье. Поэтому для мелиоративной косилки требуется не только высокая скорость ножей, обеспечивающая качественное срезание тонкостебельной травянистой растительности, но и высокая энергия воздействия ножей на жесткие стебли, срезание которых происходит за счет удара ножа по стеблю [3]. Чаще всего нож роторной косилки, представляет собой вытянутую стальную прямоугольную пластину с отверстием для болта на одном из ее концов и имеющий заостренные боковые режущие кромки, шарнирно крепящиеся к диску, при вращении которого во время работы косилки под действием центробежных сил самоустанавливается в рабочее положение и производит срезание растительности. Вместе с тем ножи современных роторных режущих аппаратов, несмотря на достаточно продолжительный опыт эксплуатации, имеют большое разнообразие форм [4, 5], что говорит о продолжающемся поиске наиболее рациональной конструкции. Кроме того, предложена конструкция [6], синхронизирующая поворот ножей, находящихся в контакте со срезаемой растительностью и вне его.

Важнейшим показателем процесса резания являются затраты энергии или мощности. Однако в литературных источниках [2, 4, 7, 8] данных о влиянии геометрических параметров ножей и конструктивных параметров режущего аппарата косилок на затраты мощности при срезании древесно-кустарниковой растительности не встречается. Это свидетельствует о необходимости поиска рациональной конструкции ножа, особенно для условий работы мелиоративных косилок, и проведения его исследований.

Методы исследования

Одним из наиболее эффективных путей усовершенствования ножей роторных косилок является оптимизация массы и геометрических параметров ножей.

Для проведения исследований нами разработана и изготовлена конструкция ножа роторной косилки [9], схема которого показана на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция ножа роторной косилки:

1 - пластина; 2 - отверстие для болта; 3 - режущие кромки;

4 - ротор; 5 - торцовая кромка ножа; 6 - ось вращения ротора.

Конструкция ножа представляет собой вытянутую стальную пластину 1 с отверстием 2 для болта на одном из ее концов и имеющую заостренные боковые режущие кромки 3, шарнирно крепящиеся к ротору 4, режущие кромки расположены радиально, нож выполнен расширяющимся к периферии, а внешняя торцовая кромка 5 изготовлена по дуге окружности с центром, совпадающим с центром 6 ротора.

Нож такой конструкции по сравнению с ножом прямоугольной формы имеет бьльшую массу, более удаленный от центра болта 2 центр масс (ц.м) и ожидаемую повышенную эффективность работы за счет большей кинетической энергии ножа и стабилизации его положения во время срезания растительности.

Для проведения исследований по определению влияния геометрических параметров ножа и режимов работы режущего аппарата роторной косилки на мощность, затрачиваемую на срезание растительности, были изготовлены ножи прямоугольной формы, устанавливаемые на серийно выпускаемых косилках, и ножи с углом расхождения режущих кромок г = 65°.

Исследования проводились на лабораторной установке, схема которой приведена на рис. 2.

Установка состоит из станины 3, на которой установлен электродвигатель 4 с закрепленным на его валу диском 5. Для исследований использовался асинхронный электродвигатель 4 марки 4А100S4У3 с номинальной частотой вращения n_н = 1415 мин^-1 (23,58 с^-1), номинальной мощностью 3 кВт.

На станине также установлена тележка 1, перемещаемая электроприводом 2 по направляющим станины 6. Привод тележки состоит из электродвигателя постоянного тока и червячного редуктора. Это позволяет при помощи включенного в электрическую цепь привода линейного автотрансформатора перемещать тележку в широком диапазоне скоростей. Такая конструкция позволяет при неподвижном электродвигателе 4 обеспечивать имитацию перемещения режущего аппарата.

На платформе тележки имеются гнезда 7 для крепления исследуемых образцов растительности, причем гнезда имеют разные диаметры и разный угол наклона к вертикали (от 0 до 45°), что при необходимости позволяет имитировать срезание растений, стволы которых наклонены к поверхности почвы.

Рис. 2. Схема лабораторной установки: 1 - тележка; 2 - привод тележки; 3 - станина; 4 - электродвигатель привода ротора; 5 - диск; 6 - направляющие перемещения тележки; 7 - гнезда для установки образцов растительности; 8 - направляющие перемещения электродвигателя; 9 - режущие ножи.

По имеющимся данным [1], наиболее часто на каналах мелиоративных систем встречается древесно-кустарниковая растительность таких пород, как береза, осина, ольха, крушина, тополь, верба, ива, лоза, которые чаще всего закрепляются на откосах самосевом и растут достаточно быстро. Для проведения исследований были использованы свежесрезанные стволы лозы, находящейся в стадии вегетации. Подбирались стволы диаметром 25±0,1 мм или при необходимости обрабатывались до этого диаметра. Измерения производились штангенциркулем ГОСТ 166-80 с ценой деления 0,1 мм по трем диаметрам под углом около 120°. За окончательное принималось среднее арифметическое трех измерений. Длина образца принималась равной 100±5 мм.

Двигатель 4 установлен с возможностью его перемещения по высоте при помощи направляющих 8. Это позволяет регулировать высоту среза образцов. Кроме того, ось вращения можно наклонять под углом к вертикали. Это позволяет повторять условия работы роторных косилок с наклонными осями вращения роторов. В данных исследованиях плоскость вращения ножей располагалась на высоте 15 мм над верхним краем гнезда крепления образца.

Исследуемый ствол древесно-кустарниковой растительности при помощи клиньев в вертикальном положении жестко крепился в гнездах 7 на тележке 1, которая отводилась в крайнее правое положение (штриховой контур на рис. 2). После запуска установки электродвигатель 4 вращал диск 5 с шарнирно прикрепленными ножами 9, при этом тележка 1 с образцом растительности перемещалась влево, по направляющим 6 к приводу 2. При подходе образца к ножам они срубали исследуемый образец растительности.

Для исследования работы ножей использовался широко применяющийся в роторных режущих аппаратах диск 5 с расстоянием между осями болтов крепления ножей 370 мм.

Замер мощности, затрачиваемой на срезание растительности, производился при помощи поверенного ваттметра Д-124 с ценой деления 37,5 Вт, класса точности 1, включенного в электрическую цепь привода электродвигателя 4. Замер проводился следующим образом: после запуска электродвигателя 4 снимали при установившейся частоте вращения вала показаниями ваттметра на холостом ходу, затем снимали показания ваттметра в момент срезания ствола растительности. Значение потребной мощности определяли как разность показаний ваттметра в момент срезания и на холостом ходу.

На мощность, необходимую для срезания растительности, оказывают влияние ряд факторов: угол расхождения режущих кромок ножа, угол заострения режущих кромок ножа, высота срезания, диаметр срезаемой растительности, поступательная скорость перемещения тележки и др. Из перечисленных факторов, как наиболее значимые, были отобраны следующие: угол расхождения режущих кромок ножа, угол заострения режущих кромок ножа и скорость перемещения тележки или, что практически то же самое, поступательная скорость перемещения режущего аппарата косилки. Для оценки влияния изменения этих факторов на мощность, затрачиваемую на срезание растительности, и выявления оптимального их сочетания был проведен многофакторный эксперимент типа 2³ по существующей методике [10] и с учетом рекомендаций [11]. План эксперимента приведен в табл. 1.

Таблица 1. План проведения эксперимента

Углы заострения и расхождения режущих кромок контролировались угломером типа 1-2 ГОСТ 5378-88 со значением отсчета по нониусу 2ґ.

Скорость перемещения тележки задавалась линейным автотрансформатором, включенным в электрическую цепь привода тележки, и контролировалась при помощи секундомера DT 1 с точностью 1/100 сек. Частота вращения вала электродвигателя контролировалась при помощи дистанционного электрического тахометра DT6234В с диапазоном измерения от 2,5 до 99999 об./мин. и разрешением 1 об./мин. На основании соответствующей матрицы планирования [10] для принятых пределов варьирования переменных факторов был составлен план полного факторного эксперимента и осуществлена его реализация. Число повторностей в каждом опыте определяли как необходимый объем выборки из неограниченной совокупности по формуле [12]:

, (1)

где n_в - число повторностей опыта, шт; t_C критерий Стьюдента; у среднее квадратическое отклонение, %; Д возможная ошибка средней величины, %.

Значение критерия Стьюдента зависит от выбранного уровня значимости. В расчетах принимаем t_C = 2,447 и у = 0,5 [13]. Кроме того, при определении числа повторности опытов учитывали следующее. Подача на нож С рассчитывается по формуле:

С = х/(n_н z), (2)

где z - число ножей на роторе (z = 2).

При принятом диапазоне скоростей передвижения и номинальной частоте вращения n_н = 23,58 с^-1 подача на нож составляет 10,4-20,8 мм. В этом случае перерубание стебля диаметром 25 мм произойдет за 1,2-2,4 удара ножа. В связи с этим каждый опыт проводился с трехкратной повторностью. При этом вероятность охвата генеральной средней в исчисленных пределах равна 0,95, что удовлетворяет требованиям, так как значение относительной величины предельной ошибки при исследовании сельскохозяйственных процессов рекомендуется выбирать в пределах 3-5% [14, 15].

Обработка результатов измерений велась по методике [10]. При этом производился подбор уравнения регрессии следующего вида:

, (3)

где x₀ - показание ваттметра при нулевом уровне факторов; A, B, C, D, E, F - коэффициенты регрессии.

Основная часть

После проведения опытов были получены результаты измерений мощности, затрачиваемой на срезание растительности.

После их обработки и в результате определения коэффициентов регрессии и оценки их значимости было получено следующее уравнение регрессии:

. (4)

Далее проводился анализ уравнения (4), для чего проверялась гипотеза о линейности системы. Проводилась оценка значимости коэффициентов регрессии при членах высших порядков. Для этого ставился дополнительный опыт на нулевом уровне всех факторов при числе повторностей каждого опыта равном трем. Значения исследуемых факторов приведены в табл. 1.

Выполнив опыт и определив значимость коэффициентов регрессии уравнения (4), мы установили окончательный вид уравнения регрессии, описывающего затраты мощности на срезание древесно-кустарниковой растительности ножами роторной косилки. В результате обработки оказалось, что значимыми являются коэффициенты при x₁, x₂, x₃ и уравнение регрессии имеет вид:

. (5)

Для удобства использования уравнения (5) при вычислении затрат мощности на срезание древесно-кустарниковой растительности ножами роторной косилки с учетом точности измерений преобразуем его к виду, позволяющему непосредственно подставлять в него значения угла заострения режущей кромки ножа (x₁ ? б, град), угла расхождения режущих кромок ножа (x₂ ? г, град), а также поступательной скорости перемещения режущего аппарата косилки (x₃ ? х, м/с) и получать значение затрачиваемой на срезание мощности. Для этого значение коэффициентов при x₁, x₂, x₃ необходимо разделить на их пределы варьирования:

P = 567 + 10,5б - 0,9г - 109,4х, (6)

где Р - затрачиваемая на срезание растительности мощность, Вт.

Из уравнения (6) следует, что на нулевом уровне затрачиваемая на срезание растительности мощность составляет 567 Вт. При изменении угла заострения режущих кромок ножа на величину единицы варьирования ± л₁, т.е. на 7,5°, угла расхождения режущих кромок ножа, на величину единицы варьирования ± л₂, т.е. на 32,5°, и поступательной скорости перемещения режущего аппарата косилки на величину единицы варьирования ± л₃, т.е. на 0,25 м/с, мощность, затрачиваемая на срезание растительности, изменится на 158 Вт, 58 Вт и 55 Вт соответственно.

Заключение

Выполненный обзор конструкций ножей косилок свидетельствует о необходимости поиска рациональной конструкции ножа, особенно для условий работы мелиоративных косилок.

Разработанная и изготовленная лабораторная установка позволяет в достаточно полной мере имитировать и исследовать процесс срезания древесно-кустарниковой растительности роторной косилкой.

В результате реализации полного факторного эксперимента получено уравнение регрессии и установлено, что при принятых пределах варьирования исследуемых факторов и используемой точности измерений мощность, затрачиваемая на срезание древесно-кустарниковой растительности ножами роторной косилки, зависит от угла заострения режущих кромок ножа, угла расхождения режущих кромок ножа и поступательной скорости перемещения режущего аппарата.

Полученное уравнение показывает, что увеличение угла заострения режущих кромок ножа ведет к повышению, а увеличение величины угла расхождения режущих кромок ножа и поступательной скорости перемещения режущего аппарата косилки - к снижению мощности, затрачиваемой на срезание древесно-кустарниковой растительности роторной косилкой.

Литература

1. Титов, В.Н. Определение характеристики древесно-кустарниковой растительности на каналах мелиоративных систем / В.Н. Титов, К.А. Гуцанович // Мелиорация. 2009. №1(61). С. 222?228.

2. Погоров, Т.А. Скашивание и удаление растительности из каналов косилками шнекового типа: дис. … канд. техн. наук. 06.01.02 / Т.А. Погоров; Новочеркасск, 2005. 151 с.

3. Мажугин, Е.И. Обоснование расчетной схемы ножей мелиоративной многороторной косилки / Е.И. Мажугин, С.Г. Рубец // Энергоресурсосберегающие технологии и технические средства для их обеспечения в сельскохозяйственном производстве: материалы междунар. науч.- практ. конф. молодых ученых, Минск, 25-26 авг. 2010 г. / РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства»; редкол.: П.П. Казакевич [гл. ред]. Минск, 2010. С. 40-43.

4. Корнилович, Р.А. Совершенствование режущего аппарата ротационной косилки. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / Р.А. Корнилович; М., 2007. 156 с.

5. Мажугин, Е.И. машины для эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных объектов / Е.И. Мажугин; Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2010. 333 с.

6. Режущий аппарат: пат. 13909 Респ. Беларусь, МПК А 01D 34/73 / Е.И. Мажугин, С.Г. Рубец, М.В. Левкин; заявитель Белорус. гос. с-х. академия. № а 20081130; заявл. 02.09.08; опубл. 30.04.10 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. 2010. №6. С. 47.

7. Пара Гарсия, Хосе Луис. Исследование роторных режущих аппаратов косилок в условиях Кубы: автореф. дис. …канд. техн. наук: 05.20.01 / Хосе Луис Пара Гарсия; Моск. с.-х. академия им. К.А. Тимирязева. М., 1980. 16 с.

8. Фомин, В.И. Обоснование параметров косилочного режущего аппарата сегментно-дискового типа: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / В.И. Фомин; Ростов н/Д., 1963. 22 с.

9. Нож роторной косилки: пат. 5809 Респ. Беларусь, МПК A 01D 34/01 / В.А. Шаршунов, Е.И. Мажугин, С.Г. Рубец; заявитель Белорус. гос. с-х. академия. № u 20090403; заявл. 19.05.09; опубл. 30.12.09 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. 2009. №6. С. 148.

10. Ашмарин, И.П. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов / И.П. Ашмарин, Н.Н. Васильев, В.А. Амбросов. Л.: Из-во Ленигр. ун-та, 1975. 78 с.

11. Листопад, И.А. Планирование эксперимента в исследованиях по механизации сельскохозяйственного производства / И.А. Листопад. М.: Агропромиздат, 1988. 88 с.

12. Вольф, В.Г. Статистическая обработка опытных данных / В.Г. Вольф. М.: Колос, 1966. 255 с.

13. Гмурман, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие / В.Е. Гмурман. М.: Высш. шк., 1972. 358 с.

14. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки: ГОСТ 23728 - 88 - ГОСТ 23730 - 88. Введ. 01. 08. 88. М.: Изд-во стандартов, 1988. 25 с.

15. Физико-механические свойства растений, почв и удобрений / Б.А. Воронюк [и др.]. М.: Колос, 1970. 423 с.

Размещено на Allbest.ru