Повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин с ротационными активными рабочими органами

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность темы. На современном этапе остается острой проблема повышения качества выполнения технологических операций и эффективности использования машинно-тракторных агрегатов (МТА) при обработке почвы с использованием энергонасыщенных тракторов. Поэтому по-прежнему злободневны вопросы расширения применения ротационных почвообрабатывающих машин (РПМ) с активными рабочими органами (АРО) с приводом от механизма отбора мощности (МОМ) трактора. АРО небольшой массы выполняют технологические функции на скоростях, в 3…8 раз превышающих скорость МТА. Это значительно снижает затраты на перемещение «мертвых масс» агрегата, не участвующих в выполнении полезной работы. При этом составляющие технологических сопротивлений создают подталкивающее усилие, разгружая узкое звено в системе «почва - движитель трактора», повышая эффективность использования агрегата.

Стандартный подход к выбору конструктивно-технологических параметров АРО является причиной их высокой энергоемкости, низкой производительности, слабой надежности, что сдерживает их повсеместное применение. Поэтому изыскание путей сокращения энергетических, трудовых и материальных затрат при обработке почв с использованием приводных РПМ является актуальной и важной хозяйственной проблемой.

Другим не менее важным вопросом, связанным с созданием комбинированных РПМ нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателями, негативно влияющим на качественные и технические показатели работы МТА, является отсутствие общепринятой методологии синтеза АРО для определенных условий функционирования, получения силовых, энергетических параметров.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» и соответствует научному направлению РАСХН по проблеме 09 «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса в сельском хозяйстве» (задание 09.01); региональной научно-технической программой «Агрокомплекс» (1986-1990 гг. и на период до 2000 г.); единым заказ-нарядом Министерства образования Российской Федерации по госбюджетным темам № 53/15-89 «Оптимизация технологических процессов и параметров почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами» и № 53/8-93 - «Повышение технического уровня ротационных почвообрабатывающих машин»; программой развития АПК Республики Мордовия до 2010 года.

Цель работы: повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин путем оптимизации конструктивно-технологических параметров ротационных активных рабочих органов по критериям качества выполнения работы, энергосбережения, динамической загруженности и устойчивости.

Предмет исследования: качественные и количественные взаимосвязи ротационных активных почвообрабатывающих рабочих органов с обрабатываемой средой с учетом специфических кинематических и динамических особенностей их работы в составе машинных агрегатов.

Объект исследования: активные ротационные рабочие органы фрез, бороздообразующие, гребнеобразующие лопасти с винтовыми режущими элементами, комбинированные почвообразующие машины.

Научную новизну работы составляют:

- классификация рабочих органов почвообрабатывающих машин по степени свободы движения;

- принципы оптимизации параметров формирования гребней при возделывании картофеля;

- методология, аналитические методы и программное обеспечение расчета основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми элементами, их силовых и энергетических характеристик, оптимального угла установки лезвия ножа;

- математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;

- методика качественного анализа силового взаимодействия активных рабочих органов с почвой;

- аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие на стадии проектирования выявить и снизить энергозатраты на отбрасывание почвенных частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез;

- математические модели и технические решения по снижению пиковых динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;

- результаты экспериментальных исследований опытных образцов активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;

Новизна разработанных технических решений подтверждается 9 авторскими свидетельствами и патентами на оборудование, рабочие органы и почвообрабатывающие машины.

Практическая ценность результатов исследования состоит в развитии научных основ земледельческой механики, методов и средств, с помощью которых можно разработать и получить:

- РПМ с улучшенными технологическими, динамическими и технико-экономическими характеристиками для предпосевной подготовки почвы, формирования гребней и междурядной обработки пропашных культур;

- комбинированный лемешно-отвальный плуг с активными лопастными предплужниками для вспашки склонов;

- расчетные параметры фрезбарабана, отражательного кожуха ротационной почвообрабатывающей машины для сплошной обработки почвы;

- оптимальные конструктивно-технологические параметры активных рабочих органов для формирования гребней, бороздообразования, работы в качестве предплужника и для поверхностной подготовки почвы;

- почвообрабатывающие фрезы с улучшенными динамическими характеристиками привода и с механическими аккумуляторами кинетической энергии.

Реализация результатов исследований осуществлялась путем использования научными организациями и производственными подразделениями, а именно: Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия (РМ) при разработке республиканских программ технического переоснащения АПК; ГНУ «Мордовский НИИ сельского хозяйства» (г. Саранск) при совершенствовании технологии и оборудования для выполнения полевых механизированных работ путем внедрения в его опытных хозяйствах комбинированного культиватора с универсальными рабочими органами для нарезки гребней и междурядной обработки посадок картофеля в ОНО ОПХ «Ялга» и плуга с активными предплужниками в ОНО ОПХ «1-е Мая»; ОАО «Авторемонтный завод “Саранский”» (г. Саранск) при разработке новых рабочих органов и узлов сельскохозяйственных машин; применения в учебном процессе ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева», ФГОУВПО «Чувашская ГСХА», ФГОУВПО «Рязанская ГАТУ», ФГОУВПО «Самарская ГСХА» по направлению «Агроинженерия» при изучении дисциплин «Сельскохозяйственные машины», «Технологические машины и оборудование», раздела «Машины и оборудование в растениеводстве»; чтении лекционных курсов, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении курсовых и дипломных проектов, в создании новых математических моделей и разработке оригинальных активных рабочих органов, изучении процесса их взаимодействия с почвой.

Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в приложении к работе.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях «Огаревские чтения» ГОУВПО «МГУ имени Н.П. Огарева» (Саранск, 1981 - 2007 гг.), на зональных научно-практических конференциях кафедр «Тракторы и автомобили» сельхозвузов Поволжья и Предуралья (Чебоксары, Рязань, Нижний Новгород, Пенза, 1983 - 2007 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (Саранск, 2002 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ доктора технических наук профессора В.И. Медведева, «Совершенствование технологий, средств механизации и технического обслуживания в АПК» (Чебоксары, 2003 г.), конференциях профессорско-преподавательского состава Самарской ГСХА (Кинель, 1994, 1995 г.), научно-технической конференции «Долговечность и эксплуатационная надежность материалов, элементов, изделий и конструкций» (Саранск, 1987 г.).; научно-технической конференции «Эффективность использования машиностроительного оборудования» (Саранск, 1991 г.); Международной научно-практической конференции «Совершенствование рабочих органов сельхозмашин и агрегатов» (Барнаул, 1994 г.); Международной научно-практической конференции памяти академика В. П. Горячкина (МГАУ, Москва, 1998 г.); республиканской научно-практической конференции «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса РМ» (Саранск, 2001 - 2007 гг.); на Международной научно-технической конференции «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (Саранск, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, 2004 г.); семинаре заведующих кафедрами сельскохозяйственных машин на тему «Совершенствование содержания и технологии обучения студентов по сельскохозяйственной технике» (Краснодар, 2005 г.); на научной сессии Россельхозакадемии (секция № 3) «Машинные технологии и техника нового поколения для интенсификации и экологизации земледелия» (Зерноград, 2006 г.).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Классификация почвообрабатывающих рабочих органов по степени свободы движения.

2. Оптимизационная модель формирования гребней, расчета ее параметров при возделывании картофеля и синтеза АРО с винтовыми элементами.

3. Методология, аналитические методы и программное обеспечение для расчета основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми элементами, силовые и энергетические характеристики АРО, фрезерных культиваторов различного функционального назначения и активного предплужника.

4. Математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин.

5. Модель взаимодействия активных рабочих органов с почвой.

6. Аналитические и экспериментальные зависимости по моделированию отбрасывания почвенных частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез, позволяющие на стадии проектирования выявлять и снижать энергозатраты на этот процесс.

7. Методы, математические модели и технические решения по снижению пиковых динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин.

8. Результаты экспериментальных исследований оригинальных конструкций опытных образцов почвообрабатывающих машин.

1. Современное состояние проблемы и основные задачи исследования

почвообрабатывающий рабочий гребень винтовой

Рассмотрены методологические основы прогнозирования и развития мобильных сельскохозяйственных агрегатов и систем, требования к обработке почвы и принципы классификации рабочих органов для выполнения технологических операций с использованием почвообрабатывающих машин с АРО с приводом от МОМ трактора. С целью оценки перспектив применения активных рабочих органов для выполнения различных технологических операций выявлены особенности основной обработки почвы на склонах и технологии возделывания картофеля на гребнях. Проведен обзор НИР по ротационным почвообрабатывающим машинам и предложена классификация почвообрабатывающих машин по степени свободы движения.

В большинстве МТА так называемые "мертвые" массы, которые не соприкасаются с обрабатываемым материалом, составляют 85-95 % от их общей массы. Дальнейший рост производительности МТА для обработки почвы должен обеспечиваться за счет интенсивного автономного перемещения исполнительных рабочих органов в пространстве по отношению к центру масс агрегата. При этом путь и скорость перемещения рабочих органов выше по сравнению с теми же параметрами центра масс агрегата. Этим условиям удовлетворяют почвообрабатывающие агрегаты с ротационными активными рабочими органами.

Исследования показывают, что по эффективности обработки, особенно тяжелых по механическому составу почв, РПМ не имеют равных и занимают особое место в системе подготовки почвы и обработке посевов пропашных культур. Кроме отличного выполнения своих технологических функций, они способствуют снижению тягового сопротивления движению агрегата. Наиболее перспективными являются комбинированные фрезерные почвообрабатывающие машины с пассивно-активными рабочими органами. Сдерживающими факторами повсеместного применения почвообрабатывающих фрез большинство исследователей считают высокую энергоемкость процесса фрезерования почв, большие динамические нагрузки элементов привода, снижающие технологическую и техническую надежность МОМ тракторов и самих машин. Поэтому РПМ используются в условиях, где для них нет альтернативы по эффективности обработки почвы.

В диссертации дано обоснование использования АРО при выполнении различных технологических операций обработки почвы. Наиболее проблематичной является работа почвообрабатывающих машин на склонах. Вопросами совершенствования рабочих органов и оценкой качества работы почвообрабатывающих машин на склонах занимались А.Т. Вагин, А.Ч. Хачатрян, В.И. Медведев, И.М. Панов, Л.Х. Ким, А.Д. Кормшиков, В.А. Лаврухин и др.

В результате анализа выявлены основные направления совершенствования машин для основной обработки почвы. Установлена возможность повышения качественных и технико-экономических показателей лемешно-отвального плуга на склоне путем оснащения активными предплужниками с приводом от МОМ трактора. Доказана целесообразность применения лопастных эллипсовидных активных рабочих органов с винтовыми элементами.

В технологии возделывания картофеля важное место отводится созданию условий для формирования урожая картофеля с использованием фрезерных почвообрабатывающих машин. С их помощью происходит образование гребней, междурядная обработка посадок. Однако вопросы формирования гребней определенных размеров в зависимости от почвенных условий остаются нерешенными.

В работах Б.А. Писарева, Д.В. Заикина, А.И. Замотаева рассматриваются приемы предпосадочной обработки почвы, в том числе гребневых технологий возделывания картофеля. Однако до настоящего времени нет однозначного подхода к обоснованию формы и параметров гребней в зависимости от условий возделывания, запрограммированной урожайности, размеров клубневых гнезд.

Отсутствие общепринятой методологии синтеза АРО для определенных условий их функционирования ставит проблему создания комбинированных РПМ нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателями. Это негативно влияет на качественные и технические показатели работы МТА и не позволяет получить на стадии проектирования силовые, энергетические параметры АРО. Предложен алгоритм их синтеза, которому предшествует изучение условий их функционирования и агротехнических требований к выполнению технологических операций.

Анализ применения РПМ показал недостаточные использование и изученность наиболее перспективных АРО, режущая или технологическая, транспортирующая часть которых содержит элементы винтовой поверхности. Из их многообразия мы выделили ножи с винтовыми и эллипсовидными рабочими элементами. Главная особенность этих рабочих органов - строгое математическое описание поверхностей и возможность получения зависимостей, содержащих конструктивные параметры, режимные характеристики АРО, упрощающие их проектирование. Изменяя конструктивные параметры ножей и режимы работы, можно получить различные по назначению рабочие органы.

Обзор исследований свидетельствует, что по вопросам создания машин складывается неоднозначное мнение, они охватывают не весь спектр существующих проблем. Например, нет данных о конструктивном оформлении ножей для обеспечения постоянства оптимального угла установки по ширине захвата крыла ножа. Кинематика рабочих органов рассматривается в плоскости продольного сечения фрезбарабана, а не в пространстве, поэтому характер протекания многих процессов остается вне сферы теоретических и экспериментальных исследований. Недостаточно изучена механика взаимодействия ножа с почвой. Конструктивные, кинематические и технологические характеристики ножей не используются в зависимостях для расчета силовых, энергетических показателей как рабочих органов, так и основных узлов машин.

Не менее важной задачей проектирования и изучения рабочих органов почвообрабатывающих машин является учет числа возможных движений рабочих элементов. Это позволяет дать своеобразную оценку характера их взаимодействия с почвой, выявить условия передачи энергии для получения заданного направления их воздействия на почву с целью придания последней определенных свойств с минимальными затратами, установить независимые координаты и закон их движения.

Определенную дестабилизацию процессу взаимодействия АРО почвообрабатывающей фрезы с почвой придают его цикличность и постоянное изменение сопротивления среды. Последовательная работа нескольких ножей вызывает колебания крутящего момента в механизме их привода. Снижение их амплитуды связано с расположением и конструктивным исполнением рабочих элементов, их креплением на дисках вала фрезбарабана.

Уточнению расположения ножей на валу фрезбарабана посвящены работы И.М. Панова, В.А. Шмонина, В.Зоне, Г. Бернацкого, А.Д. Далина. Однако в этих исследованиях не учитывается период взаимодействия отдельного ножа, продолжительность отрезания почвенной стружки, не уточняется механизм фиксации ножа на валу фрезбарабана, не даются рекомендации по снижению колебаний нагрузки в процессе отрезания почвенной стружки. Указанные недостатки частично устраняются за счет создания рабочих органов с винтовыми и элипсовидными рабочими элементами.

С другой стороны, для малогабаритных фрез (садовых, тепличных и др.), имеющих небольшое количество ножей, оптимизация их расположения не решает проблему снижения неравномерности колебания нагрузки на валу привода. Установка динамических гасителей вызывает сброс энергии к элементам муфт, способствует их нагреву.

На основании анализа состояния проблемы и в соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать алгоритм синтеза АРО почвообрабатывающих машин.

2. Разработать классификацию почвообрабатывающих рабочих органов по степени свободы движения.

3. Разработать принципы оптимизации параметров формирования гребней при возделывании картофеля.

4. На основе общей теории винтовых поверхностей разработать теоретические принципы проектирования рабочих поверхностей и кинематики активных рабочих органов почвообрабатывающих машин различного функционального назначения.

5. Предложить аналитический метод определения оптимального угла установки лезвия АРО.

6. Разработать аналитические методы исследования процесса взаимодействия различных рабочих органов с почвой. Выяснить характер силовых факторов, действующих на отдельные рабочие органы и на барабан со стороны обрабатываемой почвы, в зависимости от их конструктивных параметров и режимов обработки.

7. Исследовать динамику сил вала фрезбарабана и элементов трансмиссии. Предложить способы снижения динамических нагрузок в системе привода активных органов почвообрабатывающих машин и разработать методику расчета размещения рабочих органов на фрезбарабане.

8. Изучить механизм отбрасывания почвенных частиц активными рабочими органами с целью снижения коэффициента отбрасывания и энергозатрат, исследовать природу образования подталкивающего действия рабочих органов фрез и добавочного сопротивления защитного кожуха.

9. Выполнить сравнительную оценку и установить зависимости силовых, энергетических показателей почвообрабатывающих фрез с различными АРО в функции геометрических, технологических и кинематических параметров.

10. Определить агротехнические, энергетические и технико-экономические показатели работы комбинированных РПМ с АРО, разработать рекомендации по их проектированию, использованию и внедрению в производство.

2. Обоснование основных параметров и режимов работы ротационных почвообрабатывающих рабочих органов с винтовыми элементами

Дано агротехническое и агробиологическое обоснование основных параметров АРО для выполнения различных технологических операций обработки почвы. На основе общей теории винтовых рабочих поверхностей получены уравнения кинематики применительно к АРО для выполнения следующих функций: работа в качестве активных предплужников при вспашке склонов, предпосевная подготовка, междурядная обработка, формирование гребней, окучивание картофеля. С целью обеспечения оптимальных условий работы АРО получено уравнение для определения оптимального угла установки лезвия.

В настоящее время отсутствуют методы синтеза активных рабочих органов для заданных условий функционирования. В работе предлагается алгоритм синтеза АРО. На примере определения оптимальных размеров гребня для возделывания картофеля поставлена задача установления параметров АРО, участвующих в его формировании.

С учетом формы и размеров клубневого гнезда применительно к реальным условиям возделывания картофеля предложены методические принципы оптимизации параметров формируемого гребня. Установлены целевая функция, граничные условия, площадь гребневого поля, которые однозначно позволяют определить глубину обработки hобр, рабочую ширину BP гребнеобразующего АРО:

; (1)

, (2)

где x - абсцисса точек профиля гребневого поля, м; h - высота гребня, м; n = 0, 2, 4, 8… - показатель степени; - масштабный параметр кривой линии функции, описывающей профиль поверхности гребня, рад/м; В - ширина междурядий, м.

Для приближенного определения параметров гребнеобразования разработана номограмма. С учетом заданных (запрограммированных) значений высоты гребня h и угла естественного откоса ф по номограмме можно определить оптимальные значения показателя степени n и параметра a общего уравнения профиля поверхности гребня, ширину междурядий B, ширину захвата активного рабочего органа BP, глубину обработки hобр и площадь профиля гребня F.

Одним из путей повышения эффективности работы лемешно-отвальных плугов, в том числе на склонах, является введение второго потока передачи мощности для выполнения технологического процесса, который направляется на привод активных предплужников. Разработан метод проектирования последних, основанный на использовании условий выполнения технологического процесса на склоне. Исходя из этого установлены основные параметры активного предплужника.

Минимально возможная (целесообразная) ширина захвата b1 активного предплужника определена с учетом улучшения оборачивающей способности и повышения устойчивости обернутого пласта основным корпусом плуга по формуле:

b1=b- (3)

где а - глубина обработки основным корпусом, мм; b - ширина захвата основного корпуса, мм; h1 - глубина хода предплужника, мм.

Для стандартной ширины захвата основного корпуса (b=350 мм) и рекомендуемой глубины основной обработки почвы для Нечерноземной зоны (а=220…260 мм) ширина захвата активного предплужника, при которой улучшается устойчивость обернутого пласта на склоне, должна быть в пределах b1=120…160 мм при глубине его хода h1=80 …120 мм.

Рассматривая теорию винтовых поверхностей для проектирования ротационных АРО, А. И. Лещанкин исследовал свойства поверхностей и кинематические аспекты проблемы без увязки с процессами функционирования АРО, изучения силовых и энергетических характеристик.

АРО по всей ширине захвата должен обеспечивать: постоянство оптимального угла установки; выполнение условия скользящего резания; заданную по условиям агротехники глубину обработки; выполнение агротехнических требований в соответствии с их функциональным назначением.

Уравнение рабочей поверхности лезвия фрезерного рабочего органа с открытой прямой линейчатой винтовой поверхностью, в параметрическом виде удовлетворяющей перечисленным условиям (рис.1), запишется:

(4)

в явной форме:

; (5)

в цилиндрических координатах (z, с, ц):

; (6)

при помощи круговых векторных функций:

(7)

где u, и с, ц - криволинейные координаты точки Р на винтовой поверхности; R - радиус фрезбарабана, м; ф - угол подъема винтовой линии; г - угол установки лезвия.

Рис. 1

Конволютная винтовая поверхность рассредоточена относительно передней грани лезвия рабочего органа. Это позволяет растянуть процесс отделения стружки по времени и существенно снизить колебания нагрузки в элементах привода. В общем виде параметрические уравнения поверхности запишутся:

 (8)

где a - радиус основного цилиндра, м; - текущая координата (угол поворота) или переменный угловой параметр; u - переменный линейный параметр, для конволютной поверхности , , м; - угол установки направляющей линии поверхности к радиусу фрезбарабана R; - угол подъема винтовой линии.

Поиск рациональной конструкции бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом, который не имел бы недостатков, присущих круглым дискам с различным их расположением в пространстве, привел нас к плоскому диску эллиптической формы, из которой для рабочего элемента была взята четвертая часть. Для обеспечения лучшего качества работы и уменьшения энергозатрат соотношение осей эллипса должно строго согласовываться с отклонением диска в поперечно-вертикальной плоскости:

(9)

где аэ и сэ - соответственно малая и большая полуоси эллипса, м; в - угол отклонения большой полуоси эллипса от вертикали.

Математическое выражение поверхности квадрантной пластины эллипса (лопасти) в параметрическом виде в системе координат x1y1z1 (рис. 2) можно записать в следующем виде:

(10)

где с - половина диаметра малой полуоси эллипса; ц - подвижный угловой параметр, ц=0…р/2; в - угол наклона большой полуоси к плоскости вращения малой.

Для синтеза различных АРО применительно к условиям функционирования получены общие уравнения движения точек с произвольно расположенной в пространстве осью вращения:

X=X0+f1(t)+Ricosшcos(ц+щt)+RisinИsinшsin(ц+щt) - RitgуcosИsinш;

Y=Y0+f2(t)+RicosИsin(ц+щt)+RitgуsinИ; (11)

Z=Z0+f3(t)+Risinшcos(ц+щt) - RisinИcosшsin(ц+щt)+RitgуcosИcosш,

где X, Y, Z - оси неподвижной системы координат; X0, Y0, Z0 - начальные координаты подвижной системы координат в неподвижной; f1(t), f2(t), f3(t) - законы движения подвижных систем координат по осям неподвижной системы; Ri - радиус рассматриваемой точки; ш - угол атаки оси вращения активных рабочих органов, град; И - угол наклона оси вращения активных рабочих органов к горизонту, град; ц - начальный угол поворота точки, град; щ - угловая скорость, рад·с-1; t - время, с; у - угол между радиус-вектором точки и плоскостью, перпендикулярной к оси его вращения, град.

Рис. 2

Уравнения движения точек АРО фрез представляют собой кинематические поверхности. В координатах (u ,) для уравнения (4) запишется:

(12)

или в координатах (с, ц):

(13)

Полученные уравнения позволяют установить траекторию движения рабочего органа и параметры подрезаемой стружки. Сечение кинематической поверхности АРО плоскостью, перпендикулярной оси вращения, отстоящей от плоскости ху на расстоянии n, дает параметрическое уравнение движения прямолинейной образующей рабочей поверхности:

(14)

Как следствие из уравнения (14) при n=0 можно получить уравнения движения прямолинейной образующей рабочей поверхности в плоскости xy, выражения траекторий конца лезвия, параметры стружки и явное уравнение следа режущей кромки рабочего органа а1б1 (рис. 3) на поверхности поля:

 (15)

Рис. 3

Анализ уравнения (15) показывает, что след режущей кромки рабочего органа в горизонтальной плоскости является прямой линией, угол з наклона которой к направлению движения определяется зависимостью:

tg з=л tg ф, (16)

где - кинематический показатель работы фрезы.

Из уравнения (15) можно определить длину l1=a1б1 (рис. 3) режущей кромки на горизонтальной поверхности (на поверхности поля):

. (17)

С учетом этого для винтовых рабочих поверхностей по сравнению с простыми Г-образными ножами можно оценить увеличение продолжительности отрезания стружки в горизонтальной плоскости:

, (18)

которое положительно влияет на динамику взаимодействия АРО с почвой.

Получены уравнения абсолютной скорости любой точки рабочего органа в координатах (u, х):

, (19)

Подставив значения и u=-Rcos г, с=R и ц=-(900 - г) в уравнение (19), получим выражение для абсолютной скорости движения точки режущей кромки АРО:

. (20)

Направления абсолютных скоростей точек рабочей поверхности в координатах (u , ) определим из выражений (12) и (20) по направляющим косинусам:

(21)

Аналогично получены выражения для определения скоростей и ускорений, действующих на нож АРО с конволютной винтовой поверхностью. На основании этих зависимостей разработаны алгоритм и компьютерные программы для проектирования винтовых рабочих поверхностей, приведенные в приложении к диссертационной работе.

Для формирования оптимальной формы гребня с учетом выражения (2) поверхность АРО опишется уравнениями:

x=arcos(1- hобр/h)1/ncosц/tgцa;

y=arcos(1- hобр/h)1/nsinц/tgуa; (22)

z=arcos(1- hобр/h)1/n/a,

которые послужили для установления основных кинематических характеристик АРО: скорости, ускорения, направляющих косинусов, составляющих скоростей, ускорений, длины пути лезвия ножа и т. д.

С учетом условий функционирования определены параметры гребнеобразующего рабочего органа.

Для определения максимального диаметра барабана получено уравнение:

Dmax=(1,2…1,4)(1 -)h. (23)

Его радиус с учетом того, что hобр=d (d - диаметр окружности, описывающей наибольший профиль программируемого клубневого гнезда в поперечно-вертикальной плоскости), определяется из выражения:

Rmax=(0,6…0,7)(1 -)h. (24)

Для hобр = 0,16 м диаметр барабана D = 193...225 мм или радиус R = 97...113 мм. Минимальный радиус:

Rmin>S/2+ Rmax - hобр. (25)

На основании агротехнических требований и конструктивных особенностей привода АРО определены: Rmax=150 мм; Rmin=100 мм.

Ширина крыла ножа минимальная - Сmin>S; максимальная - Сmax> hобр -Rmin.

Пределы изменения кинематического показателя работы л=3,14…6,28. Изменяя конструктивные и режимные параметры АРО в пределах агротехнических требований можно добиться заданных формы и объема гребня, максимально отвечающих параметрам клубневого гнезда картофеля.

Уравнение движения любой точки поверхности бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом для работы в качестве предплужника выразим в параметрическом виде:

x= с cos(ц+ щt) - Vмt;

y= с sin (ц+ щt); (26)

z= с tgв cosц.

На основании уравнения (26) получены все кинематические характеристики активного предплужника: вид траектории, размеры отрезаемой стружки; форма поверхностей сечений с полем, дном борозды и координатными плоскостями; абсолютная скорость частиц почвы, подрезанных рабочим органом; значения направляющих косинусов углов наклона абсолютной скорости почвы относительно неподвижных осей координат x, y, z. Для определения минимальной частоты вращения ротора активного предплужника получено уравнение:

, (27)

где б - угол отброса частиц относительно горизонта.

Рис. 4

Согласно уравнению (27) на рис. 4 построен график зависимости частоты вращения предплужника щ от кинематического параметра л и угла склона в1. Из графика следует, что в пределах изменения л = 2…8 и в1 = 0…9є при в = 35є и h1/r = 0,5 минимальная частота вращения ротора, при которой обеспечивается транспортировка основной массы подрезанной почвы вверх по склону в открытую борозду, должна быть не менее щ = 12…26 рад/с. В этом случае минимальная скорость подрезанной почвы в плоскости yOz Vzy= 2,4…5,2 м/с.

Для оценки взаимодействия лопастного активного предплужника с почвой определен ее объем, деформируемый рабочим органом за некоторый промежуток времени t с момента его касания поверхности почвы до поворота на угол б=щt:

, (28)

а на рис. 5 представлен график его изменения.

Рис. 5

Из уравнения (28) и из графика видно, что угол в наклона большой полуоси квадрантных пластин эллипса к плоскости вращения малой определяет крутизну кривой. Интенсивность нарастания величины W зависит от ширины захвата b1=rtgв и кинематического показателя л. Увеличение b1 за счет r и в приводит к росту W, а повышение л снижает суммарный объем W и интенсивность его нарастания.

Для обеспечения работы ножа без смятия его тыльной стороной необработанной почвы предложен метод определения оптимального угла его установки (рис. 6), основанный на физической сущности изучаемого явления, и получено уравнение:

, (29)

где b? - ширина крыла ножа.

В уравнение (29) входят все параметры, влияющие на величину угла установки. Указанное выражение проверено на конкретном примере и приемлемо для практических расчетов.

Рис. 6

Отрезание почвенного пласта, при котором преодолевается его сопротивление, происходит почти мгновенно, приблизительно за 0,025…0,05 с. Скорость воздействия, или скорость удара, должна быть равна или больше скорости, которую может выносить почва. Она определяется по формуле:

(30)

где Vп - предельная скорость удара, м/с; уе - предел пропорциональности почвы, МПа; g - ускорение свободного падения, м/с2 ; Е - модуль упругости, МПа; г - плотность почвы, кг/м3.

До настоящего времени нет однозначного подхода к выбору конструкций АРО для почв различного сложения, влажности, физической спелости и т.д. Для описания скорости деформации трехфазного тела на основе реологической модели Фойгта получено выражение:

 (31)

где е - деформация; t - время; зв - коэффициент вязкости.

Из выражения (31) следует, что при приложении к телу мгновенной нагрузки его деформация будет значительно меньше, чем при продолжительном нагружении. Поэтому разрушение почвы под действием мгновенных (ударных) нагрузок происходит при малых деформациях как разрушение хрупкого тела.

Деформация переувлажненной почвы, описываемая реологической моделью Гука - Ньютона определяется по уравнению:

(32)

где Т - время релаксации, . Из (32) следует, что с увеличением скорости нагружения растет напряжение, а с уменьшением времени релаксации слабее проявляются свойства твердого тела. Кроме того, для любого тела существует определенная скорость деформации Эпр, при которой внешние силы уравновешиваются внутренним сопротивлением. При предельной скорости деформации Эпр, когда внутренние силы станут больше внешних, произойдет разрушение как хрупкого тела с соответствующим ростом энергозатрат. Предельная скорость распространения напряжений для почв средней плотности (супесчаная, суглинистая) составляет 4…12 м/с. Рабочие скорости рабочих органов РПМ (фрез, ротационных плугов) соизмеримы с предельными скоростями деформации почвы.

Вышеизложенное показывает, что при Эпр больше скорости рабочего органа между его передней кромкой и фронтом волны деформации образуется разрушенная зона. В этом случае рабочий орган движется в почве, у которой уже нарушены внутренние связи между частицами. Если скорость Эпр равна или меньше скорости рабочего органа, последний движется в почве с ненарушенными связями, преодолевая большее сопротивление, чем при первом случае. Это характерно при резании переувлажненных, пластичных и луговоболотных почв. Следовательно, для таких почв критерием определения максимальной скорости движения рабочего органа является чистое без разрыва резание волокон растительных остатков и почвы. При этом скорость резания будет значительно превышать Эпр.

Сухие, старопахотные почвы следует разрушать ударными нагрузками. Для снижения энергоемкости активных рабочих органов при их обработке необходима предварительная подготовка, при которой повышается величина Эпр. Для этих целей целесообразно использовать наименее энергоемкие рыхлящие рабочие органы. Наибольший эффект можно получить при условии одновременной работы рыхлящих и активных рабочих органов, когда взрыхленная, поднятая пассивными рабочими органами почва сразу подается на ножи ротационного барабана.

Рассмотренные теоретические зависимости и полученные математические модели послужили основой для проектирования ротационных рабочих органов с винтовыми элементами для выполнения функций пропашного фрезерного культиватора, активного предплужника и гребнеобразователя.

3. Силовые и энергетические параметры активных рабочих органов с винтовыми элементами

Рассмотрены и получены силовые и энергетические характеристики активного гребнеобразующего рабочего органа, фрезерной секции культиватора и активного предплужника.

Получены формулы для расчета результирующих сил и их составляющих, действующих на активный рабочий орган при гребнеобразовании, потребной мощности на резание и транспортировку почвы. Сила сопротивления резанию:

Fр =Aрhобр/л, (33)

где Aр - удельное сопротивление резанию почвы, Н·м/м3.

Сила сопротивления отбрасыванию:

Fотб=(4,0…5,0)VoVмhобр, (34)

где Vo и Vм - окружная и поступательные скорости движения АРО, м/с.

Общая потребная мощность на резание и транспортировку почвы гребнеобразующим АРО рассчитывается по выражению:

N={(1,11…1,17)(hобр - ДR/2·103)BP•mд·[kр+0,5kотбгnmHVм(л - 1)2] - (0,83…0,89)·FX}Vм, (35)

где ДR = Rmax - Rmin ; mд и mH - соответственно количество дисков и ножей на культиваторе; kP - коэффициент удельного сопротивления резанию; kотб - коэффициент отбрасывания почвы, равный отношению массы отброшенной почвы к массе срезанной; гn - плотность почвы, кг/м3; FX - усилие на крюке, кН.

Уравнение (35) отражает зависимость общей мощности N от технологических параметров гребнеобразования hобр и BP. Если в (35) подставить (1) и (2), то получим зависимость N от формы и параметров гребня.

На основе моделирования процесса деформации почвы АРО весь процесс отделения (резания) почвенной стружки и его транспортировку в направлении открытой борозды можно условно разбить на три этапа.

Первый - от момента касания малой полуоси поверхности почвы до ее внедрения на глубину h1. На этом этапе крутящий момент, подводимый к валу ротора, расходуется на преодоление смятия и трения поверхности рабочего органа о почву.

Второй - от момента заглубления малой полуоси до пересечения ее с траекторией идущего впереди ножа. Этот этап характеризуется наличием сопротивления от напряжения сдвига и трения почвы. В этот период начинается сдвиг подрезаемой стружки в направлении открытой борозды.

Третий - с начала пересечения малой полуосью рабочего органа траектории впереди идущего ножа до пересечения ее большой полуосью. Продолжается сдвиг стружки и ее отбрасывание через оставшуюся бровку в открытую борозду, образованную передним корпусом плуга. Подводимый момент расходуется на преодоление сил сопротивления от деформации сдвига, трения и отбрасывания почвы.

С учетом вышеизложенного определены силовые и энергетические параметры активного предплужника. Мощность для привода рабочего органа активного предплужника:

(36)

где Асм, Асд, Аотб - соответственно работы по преодолению сил сопротивления от деформаций смятия, сдвига и отбрасывания; q - коэффициент объемного смятия почвы; f - коэффициент трения почвы по поверхности рабочего органа; - продолжительность отрезания одной стружки по углу поворота.

Реакции резания на рабочем органе относительно подвижных осей координат будут равны:

1) при внедрении рабочего органа:

(37)

2) сдвиге подрезаемой стружки:

(38)

3) отбрасывании почвы:

(39)

Полученные зависимости (37) - (39) позволяют проследить динамику изменения реакций, действующих при отрезании стружки на секцию предплужника. Составляющие реакций резания в плоскости xOy зависят от положения рабочего органа в момент резания. Осевая составляющая резания не зависит от момента фазы резания, а определяется видом доминирующего сопротивления. Направления вертикальных составляющих при внедрении рабочего органа и отбрасывании почвы противоположны.

4. Динамика тягового сопротивления РПМ

Рассмотрены вопросы влияния составляющих усилий резания на устойчивость работы, тяговое сопротивление и трансмиссию привода машины. На примере тепличной фрезы ФС-0,85 выполнен динамический анализ фрезбарабана. Дана оценка воздействия защитного кожуха на тяговое сопротивление ротационной почвообрабатывающей машины. Рассмотрены вопросы динамики и определения собственных частот крутильных колебаний элементов трансмиссии, влияния гироскопического эффекта на устойчивость фрезы.

Надежность работы ротационной почвообрабатывающей машины во многом зависит от характера энергетических потоков, циркулирующих в трансмиссии привода АРО. Подталкивающее действие рабочих органов, равное горизонтальной составляющей реакции почвы для всего барабана, определяется суммой:

(40)

где Frn и Frm - нормальная и касательная составляющие реакций резания, приложенные к концу стойки рабочего органа; ц - угол, определяющий положение ножа в почве относительно горизонта; i=и/Дц - число ножей, одновременно находящихся в зоне контакта с почвой, и - суммарный угол контакта ножа с обрабатываемой почвой; Дц - сдвиг фаз между последовательно врезающимися рабочими органами.

Вычисление Frt по формуле (40) громоздко и неудобно. Кроме того, при этом получаем необходимое значение только для одного фиксированного положения барабана.



Рис. 7

Поэтому на рис. 7 показано более простое графическое определение величины Frt путем последовательного сложения ординат диаграмм, построенных с угловым сдвигом, равным смещению между последовательно врезающимися ножами. Результирующая кривая выражает величину и закономерность изменения второй составляющей тягового сопротивления РПМ - подталкивающего действия Frt.

В результате графоаналитического исследования работы ротационной почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85 выявлено значительное колебание угловой скорости на валу двигателя. Расчетный коэффициент неравномерности дщ превышает допускаемый [д] = 0,2 в 2,25 раза. Это вызывает высокие динамические нагрузки в системе привода, на раме машины, приводит к нарушению технологического процесса обработки почвы. Для устранения выше указанных недостатков, предложены устройства к почвообрабатывающим фрезам, которые представляют собой кинетические аккумуляторы энергии.

Таким образом, размещение ножей на валу барабана полевой фрезы влияет на изменение приводного момента и равномерный ход машины. Рекомендации отечественных и зарубежных исследователей не решают данную проблему. Они не учитывают конструктивные параметры ножей, которые определяют расстояние между дисками, продолжительность отрезания стружки, число ножей, одновременно выполняющих технологический процесс. Поэтому для снижения колебания крутящего момента на валу привода барабана с учетом конструктивных параметров ножей необходимо уточнение их размещения на валу ротора. С учетом этого предложен метод размещения ножей на валу фрезбарабана, а для его оценки получено выражение:

(41)

где , - соответственно суммарное число ножей на фрезбарабане … находящихся в контакте с почвой; Р - параметр винтовой линии; bн - ширина захвата одного ножа, равная половине расстояния между двумя дисками, м; i -количество витков; бн - угол смещения крепления ножей на соседних дисках; тд - число дисков для крепления ножей на барабане.

Уравнение (41) характеризует устойчивость ротора фрезы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При м < 0,8 и небольшой ширине захвата фрезы сторона барабана, ножи которой запаздывают при выполнении технологического процесса, является местом установки бокового редуктора механизма привода.

С целью определения параметров отражательного кожуха, снижения коэффициента отбрасывания и энергозатрат изучен механизм отбрасывания почвенных частиц активными рабочими органами и исследована природа образования подталкивающего действия рабочих органов фрез, добавочного сопротивления защитного кожуха при отражении потока отброшенных рабочими органами почвенных частиц.

Добавочное тяговое сопротивление для упругого и неупругого удара, создаваемое защитным кожухом фрезерной почвообрабатывающей машины, в зависимости от режима работы, формы кожуха и физико-механических свойств обрабатываемой почвы определяется выражениями, полученными расчетным методом:

(42)

где зг - коэффициент, учитывающий необработанный объем гребней на дне борозды; б - угол полета частиц относительно горизонта; г - угол падения частицы на поверхность кожуха при ударе; - коэффициент восстановления при ударе, определяющий отношение проекций скорости частицы на нормаль к поверхности кожуха в точке удара в его начале (Vn) и конце (un), ; ч - коэффициент мгновенного трения при ударе.

Полученные уравнения (42) позволяют найти подход к установлению параметров и определить рациональную форму защитного кожуха в зависимости от режима работы фрезерной машины.

Переменные параметры формы кожуха изменяют угол падения частиц, отбрасываемых рабочими органами фрезы, способствуют дополнительному рыхлению почвы и возникновению сил воздействия на фрезу. Определим, при каких углах падения частиц реакция кожуха будет иметь экстремальные значения. Реакция кожуха имеет максимальную величину при г1=0:

(43)

где м* - секундный расход массы почвенных частиц, ударяющихся о внутреннюю поверхность кожуха.

При угле падения г2=р/2, т.е. когда скорость частицы направлена по касательной к кожуху, реакция кожуха имеет минимальную величину:

 (44)

На основе полученных результатов можно заключить, что по условию уменьшения добавочного тягового сопротивления, создаваемого защитным кожухом в процессе работы фрезерной машины, наилучшей его формой будет та, у которой угол падения отбрасываемых частиц наибольший. Поэтому форма направляющего кожуха для фрезы конкретного целевого назначения должна иметь индивидуальное оформление.

С учетом рис. 8 получено уравнение относительного движения почвенной частицы по поверхности рабочего органа непосредственно перед отбрасыванием:

(45)

где ш - угол трения.

Постоянные интегрирования С1 и С2 , входящие в (45), определяются по начальным условиям. Кадры скоростной киносъёмки показали, что в начальный момент относительную скорость почвенных частиц можно принять равной нулю. Начальное положение частиц совпадает с передним режущим краем лезвия, т.е. з0= 0 и = 0. Тогда:

(46)

Как видно из выражения (45), скорость относительного движения частицы по поверхности ножа зависит от угловой скорости и радиуса барабана, коэффициента трения почвы о поверхность рабочего органа, а также формы ножа. Эти факторы способствуют изменению направления и скорости отбрасываемых частиц, которые в полете образуют расходящийся почвенный веер. Поэтому можно утверждать, что уравнение (45) описывает движение центра поперечного сечения потока отбрасываемых частиц.

Рис. 8

С целью исследования нагруженности трансмиссии фрезы с учетом крутильных колебаний была составлена ее эквивалентная схема в виде трехмассовой системы. Для ее элементов предварительно определяли жесткости участков валов и моменты инерции сосредоточенных масс. Для трехмассовой системы (рис. 9 а) получено уравнение, характеризующее частоту собственных колебаний и их форму:

(47)

где J1, J2, J3 - моменты инерции вращающихся масс системы силового привода фрезы, соответственно фрезбарабана, трансмиссии и двигателя; с1,2, с2,3 - жесткости валов, связывающих сосредоточенные массы.

Рис. 9

Полученное уравнение (47) является кубическим относительно щ2, и один из его корней, соответствующий возможности вращения вала как жесткого тела без кручения или же с постоянной величиной деформации, равен нулю, остальные два корня можно найти из выражения, стоящего в фигурных скобках в (47), приравняв его к нулю. Меньшему положительному значению щ12 соответствует одноузловая форма колебаний, большему положительному значению щ22 - двухузловая форма крутильных колебаний. Задаваясь а1 = 1 и зная значения щ12 и щ22, находим относительные амплитуды двух других масс а2 и а3 для каждой из двух частот. Это позволяет графически изобразить обе формы колебаний: одноузловую и двухузловую (рис. 9 б, в).

При меньшем щ12 отношения амплитуд а2 и а3 положительны, а а3 - отрицательно. Это говорит о том, что в процессе колебаний в системе трансмиссии почвообрабатывающей фрезы двигатель и редуктор совершают вращение в одну сторону, тогда как барабан вращается относительно первых двух в противоположном направлении. В случае же большего корня щ22 имеем а2<0 и а3>0. В случае этих колебаний среднее звено в эквивалентной системе трансмиссии (вторая сосредоточенная масса, приведенная к редуктору) совершает крутильные колебания в направлении, противоположном колебаниям первого и третьего звеньев. Этим формам соответствуют колебания, показанные на рис. 9 б, в. Таким образом, наиболее приемлемой является одноузловая форма колебаний, при которой их относительная амплитуда уменьшается, но возможны значительные деформации элементов привода ротора фрезы.

Рассмотрим прохождение через резонанс при крутильных колебаниях трехмассовой системы, к которой мы привели систему трансмиссии почвообрабатывающей фрезы. Получены уравнения вынужденных крутильных колебаний трехмассовой системы с учетом принятых допущений в операторной форме:

(48)

Пользуясь методами операционного исчисления, находим изображения, по которым в дальнейшем определяем б1(p) и б1(p), их оригиналы б1 и б2, а по ним - функции ц1(t), ц2(t), ц3(t).

5. Программа и методика экспериментальных исследований

Представлены цель, задачи и методика проведения экспериментальных исследований, приведено описание оборудования и приборов, с помощью которых получены результаты.

6. Экспериментальное обоснование параметров ротационных АРО почвообрабатывающих машин

Представлены результаты исследований.

Лабораторные исследования. С целью предварительного выбора типов рабочих органов для предпосадочной обработки почвы, нарезки гребней и окучивания пропашных культур на малом почвенном канале была проведена серия отсеивающих экспериментов с моделями активных рабочих органов по критерию качества почвообработки и транспортирующей способности.

В качестве рыхлящих рабочих органов исследовались макетные образцы, имеющие винтовую эвольвентную поверхность с углами подъема винтовой линии режущей кромки 300, 450, 600, а в качестве гребнеобразующих - рабочие органы, крылья которых выполнены в виде части поверхности эллиптического цилиндра.

Установлено, что по качеству рыхления наилучшие показатели имеют рабочие органы с эвольвентной винтовой поверхностью с углом ф=450, по транспортирующей способности - с углом ф=300, по способности вертикального перемешивания - с углом ф=600. В то же время наименее энергоемким является рабочий орган с углом ф=30, а наиболее энергоемким - с углом ф=60°.

Исследование влияния конструктивных параметров и кинематических режимов рабочих органов пропашного культиватора на энергоемкость процесса фрезерования. С использованием дисперсионного анализа установлено, что доли влияния глубины обработки, поступательной скорости и скорости вращения фрезбарабана с двусторонними экспериментальными ножами достоверны и соответственно составляют 32,05; 47,41 и 1,1%. Так же как и для Г-образных стандартных ножей, большое влияние угловой скорости фрезбарабана сказывается в сочетании с поступательной скоростью и составляет 2,33 %. Общая же доля влияния щ как самостоятельного фактора и во взаимодействии с другими составляет около 3,59 %. Учитывая градацию (щ = 29,4…39,8 рад/с) фактора скорости вращения рабочих органов, следует особо подчеркнуть его значительное совместное влияние в сочетании с поступательной скоростью для Г-образных ножей (2,52 %) и для двусторонних (2,33 %). Это подтверждает теоретические исследования о важности кинематического параметра л, о необходимости его правильного выбора в соответствии с оптимальным соотношением окружной и поступательной скоростей.