Повышение эффективности работы ротационного плуга с эллиптическими лопастями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Федоров Денис Игоревич

• Федоров Денис Игоревич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Федоров Денис Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ материально-технического обеспечения АПК

1.2 Обзор исследований в области совершенствования почвообрабатывающих машин и орудий

1.2.1 Усовершенствование пассивных рабочих органов

1.2.2 Комбинированные орудия с дополнительными активными рабочими органами

1.2.3 Орудия с рабочими органами-движителями

1.3 Обоснование выбранного направления работы

1.4 Конструкция ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями

1.5 Цели и задачи

2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РОТАЦИОННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМИ ЛОПАСТЯМИ ДЛЯ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

2.1 Выбор конструктивных параметров ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями на основе его кинематического анализа

2.2 Определение силовых показателей работы ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями

2.2.1 Момент сопротивления трению о боковую поверхность

эллиптической лопасти ротационного рабочего органа

2.2.2 Результирующие силы резания почвы лезвием эллиптической лопасти ротационного рабочего органа

2.3 Определение потребной мощности привода ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями

2.3.1 Потребная мощность для привода ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями, затрачиваемой на обработку почвы боковой ее поверхностью

2.3.2 Потребная мощность для привода ротационного рабочего органа, затрачиваемой на обработку почвы лезвием эллиптической лопасти

Выводы

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Задачи экспериментальных исследований

3.2 Программа экспериментальных исследований

3.3 Конструкция лабораторно-полевых установок

3.3.1 Конструкция лабораторной установки

3.3.2 Конструкция опытных образцов ротационных плугов

3.4 Приборы и оборудование

3.5 Тарировка датчиков

3.6 Методика проведения экспериментальных исследований

3.6.1 Методика исследований ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями

3.6.2 Методики исследования физико-механических свойств почвы

3.6.3 Методика определения влажности почвы

3.6.4 Методика определения твердости почвы

3.6.5 Методика определения качества крошения почвы

3.7 Оценка погрешностей результатов измерений

Выводы

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ИХ АНАЛИЗ

4.1 Результаты лабораторных исследований

4.2 Влияние угла наклона эллиптической лопасти на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа

4.3 Влияние относительного заглубления на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями

4.4 Влияние кинематического параметра на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями

4.5 Конструктивные параметры опытного образца ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями

4.6 Полевые испытания опытных образцов ротационных плугов на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями

Выводы

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАБОТЫ РОТАЦИОННОГО ПЛУГА НА БАЗЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМИ ЛОПАСТЯМИ

Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

215

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы ротационного плуга с эллиптическими лопастями»

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с общей концепцией экономического развития производства суммарные затраты прошлого и овеществленного труда, отнесенные к единице готовой продукции, должны непрерывно снижаться. Тенденция повышения этих затрат свидетельствует о проявлении кризиса производства, снижению рентабельности его и необходимости принятия мер по их снижению.

Для мобильной техники одним из наиболее эффективных способов непрерывного развития производственных мощностей является ее энергонасыщение, которое выражается в опережающем во времени росте мощности энергоисточника по отношению к массе машин.

В сельскохозяйственном производстве создание энергонасыщенной мобильной техники вызвало проблему несоответствия достигнутого уровня энергонасыщенности технологическим возможностям исполнительных рабочих органов орудий, рассчитанных на небольшие скорости движения. Это несоответствие особенно остро проявляется при формировании сельскохозяйственных агрегатов на базе энергонасыщенных колесных тракторов для выполнения энергоемких работ и, прежде всего, для обработки почвы. Поэтому, появилась необходимость создавать дополнительные силовые потоки, идущие от двигателя к исполнительным рабочим органам, например, через систему вала отбора мощности, гидромоторы и электродвигатели.

Исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что по эффективности обработки почв, особенно тяжелых по механическому составу, ротационные почвообрабатывающие машины (фрезы, плуги) не имеют равных. Ширина захвата этих машин варьируется в пределах 0,2-9 м, а мощность 0,38217,4 кВт (0,5-300 л.с.). Однако высокая энергоемкость процесса фрезерования почв, большие динамические нагрузки на элементы привода механизмов отбора мощности тракторов, и самих машин снижают их технологическую и техническую надежность, ограничивают повсеместное применение.

Орудия с ротационными рабочими органами также могут эффективно использоваться на мелкоконтурных участках, ограниченных жесткими границами, что особенно актуально для приусадебных участков и мелких крестьянско-фермерских хозяйств.

Поэтому, поиск энергосберегающих технологий, новых почвообрабатывающих рабочих органов и агрегатов является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное значение для развития народного хозяйства.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Чебоксарского политехнического института (филиала) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» по теме «Совершенствование рабочих органов-движителей для основной обработки почвы и ресурсосберегающие машинные технологии» (протокол Ученого совета №1 от 29.01.2010г.), договоров (соглашения) № 12043р/22883, №311ГС2/22883 с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Цель работы - снижение энергозатрат основной обработки почвы разработкой и применением ротационного плуга, снабженного рабочими органами с эллиптическими лопастями.

Объект исследования - рабочие органы с эллиптическими лопастями ротационного плуга.

Предмет исследования - взаимосвязь угла наклона эллиптической лопасти и режимов работы ротационного рабочего органа с силовыми и мощностными характеристиками.

Методика исследования. Общая методика исследований предусматривала разработку теоретических предпосылок по изысканию способов снижения энергозатрат основной обработки почвы с применением ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями, обоснование его конструктивных параметров и режимов работы,

экспериментальную проверку в лабораторных и полевых условиях, экономическую оценку результатов исследований.

Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений и законов механики, численных методов решения систем дифференциальных уравнений, математической статистики и разработанных авторских программ по обработке экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях, производственно-полевая проверка опытного образца ротационного плуга, снабженного рабочими органами с эллиптическими лопастями, проводилась в различных условиях фермерских хозяйств.

На защиту выносятся:

- конструктивно-технологическая схема ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями;

- математические модели взаимодействия эллиптической лопасти ротационного рабочего органа с почвой;

- результаты лабораторных исследований зависимостей угла наклона эллиптической лопасти и режимов работы ротационного рабочего органа на силовые и мощностные характеристики;

- результаты производственно-полевых проверок и технико-экономические показатели разработанного опытного образца ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями.

Научная новизна работы:

- конструктивно-технологическая схема ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями, новизна которого подтверждена патентом РФ на изобретение;

- методика выбора конструктивных параметров ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями на основе кинематического анализа;

- математические модели силовых и мощностных характеристик ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями;

- конструктивные параметры и режимы работы ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями по критерию минимальной энергоемкости процесса основной обработки почвы.

Практическая ценность работы. Математические модели силовых и мощностных характеристик, позволяющие максимально упростить экспериментальное определение этих характеристик, значительно сократить объем дорогостоящих лабораторных и полевых экспериментов при проектировании ротационных рабочих органов с эллиптическими лопастями. Кроме того, общность основных исходных положений, принятых в математических моделях, может быть перенесена, с некоторыми изменениями, и на другие ротационные рабочие органы.

Почвенный канал с экспериментальной тележкой для исследования силовых характеристик рабочих органов почвообрабатывающих машин и виртуальная лаборатория, адаптированная для генерации, записи и воспроизведения сигналов на базе программного обеспечения «7е1ЬаЬ».

Ротационный плуг на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями для основной обработки почвы малоконтурных участков, внедренный в фермерских хозяйствах Чувашской Республики.

Реализация результатов исследований.

Результаты научных исследований внедрены в 2-х фермерских хозяйствах и используются при проектировании ротационных рабочих органов и почвообрабатывающих орудий в ООО «Эллипс-ЧПИ» (Чувашская Республика, г. Чебоксары).

Разработанный почвенный канал с экспериментальной тележкой и внедренным программным обеспечением «7е1;ЬаЬ» внедрены в учебный процесс в Чебоксарском политехническом институте (филиале) ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)».

Теоретические и практические результаты работы были использованы при выполнении:

- НИОКР в рамках гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК) - контракт №7687р/11226 от 31.03.2010 г.;

- НИОКР в рамках гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК) - контракт № 9013р/14129 от 19.04.2011 г.;

- НИОКР в рамках гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Старт» - контракт №12043р/22883 от 25.07.2013 г.;

- НИОКР в рамках гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Старт-2» - контракт №311ГС2/22883 от 18.03.2015 г.

Апробация.

Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на II, III Республиканском конкурсе инновационных проектов проводимых Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») (г. Чебоксары 2010, 2011гг.); Научно-практических конференциях Чебоксарского политехнического института (филиал) ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени В.С. Черномырдина» (г. Чебоксары 2010-2013гг.); Научно-практических конференциях Чебоксарского политехнического института (филиал) ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (г. Чебоксары, 2014, 2015гг.); III Всероссийском конкурсе «УМНИК на СТАРТ», проводимым Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Рязань, 2012г.); Московском международном форуме инновационного развития «Открытые инновации» (г. Москва, 2012г.); IV Международном форуме «Expopriority-2012» (г. Москва,

2012г.); IX Республиканском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, молодых ученых и специалистов «Наука XXI века» - направление «Энергосберегающие технологии и нетрадиционные ресурсы» (г. Чебоксары, 2013г.); Международной научно-практической конференции

«Продовольственная безопасность и устойчивое развитие АПК» (г. Чебоксары, 2015г.).

Диссертант стал победителем (обладателем гранта) по программе «УМНИК-2010», «УМНИК-2011», «Старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Для работы по программе «Старт» диссертантом открыто малое инновационное предприятие ООО «Эллипс-ЧПИ».

По итогам Всероссийского конкурса «Инженер года-2011» по версии «Инженерное искусство молодых» в номинации «Автоматизация и механизация сельского хозяйства» удостоен диплома лауреата.

По итогам Республиканского фестиваля молодых преподавателей высших учебных заведений, проводимым Министерством образования и молодежной политики Чувашской Республики «Открытая лекция» в 2012 году диссертант удостоен диплома третьей степени.

Удостоен диплома «Топ-100 инноваторов» в 2012 году по итогам Московского международного форума «Открытые инновации» (молодежная программа).

Диссертант стал лауреатом конкурса инноваций (бронзовая медаль) на IV Международном форуме «Expoprюrity-2012».

Публикации. По теме диссертационной работы получено 3 патента РФ на изобретение, опубликовано 1 2 научных публикаций, в том числе 3 - в изданиях, включенных в «Перечень Российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук» ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 234 страницах машинописного текста, включает 106 рисунков, 14 таблиц, 167 источников литературы и 3 приложения.

Сама работа, так и экспериментальные исследования выполнены на базе Чебоксарского политехнического института (филиала) ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)».

При выполнении лабораторных испытаний и производственно-полевой проверки опытного образца ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями участвовали Акимов Александр Петрович, Мазяров Владимир Порфирьевич, Федоров Игорь Геннадьевич, Константинов Юрий Валентинович.

Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук Акимову Александру Петровичу, Медведеву Владимиру Ивановичу, Чаткину Михаилу Николаевичу, своему отцу Федорову Игорю Геннадьевичу, кандидатам технических наук Мазярову Владимиру Порфирьевичу, Константинову Юрию Валентиновичу, а также всем сотрудникам кафедры «Транспортно-технологические машины» Чебоксарского политехнического института (филиала) ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», чьи полезные советы способствовали созданию и улучшению содержания диссертации.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ материально-технического обеспечения АПК

Сельскохозяйственное машиностроение является основной подотраслью машиностроения, обеспечивающей производство и поставку сельскохозяйственной техники в агропромышленный комплекс (АПК). Продукция сельскохозяйственного машиностроения необходима для лесного и коммунального хозяйств, строительства, горнорудной, топливной, лесной промышленности и транспорта. В структуре производства на тракторы приходится 42%, на зерноуборочные комбайны - 15%, на другие сельскохозяйственные машины для растениводства - 14,3%, на машины для животноводства - 3,7%, на запасные части - 19% продукции [119].

Основным условием стабильного развития АПК, как Чувашской Республики, так и Российской Федерации, в целом, является техническое переоснащение сельского хозяйства. Технический потенциал в АПК оценивается, в основном, наличием тракторов, автомобилей, самоходных зерно-, кормоуборочных машин, а также почвообрабатывающей техникой. Эффективность сельскохозяйственного производства зависит от обеспеченности техникой и соблюдения технологий [111].

Увеличение импорта традиционно производимых в России продуктов питания усугубило тяжелое экономическое состояние сельских товаропроизводителей и снизило их платежеспособность и это, конечно же, привело к сокращению выпуска техники для села, хотя технологическая потребность в ней остается достаточно высокой [128].

Отечественное сельскохозяйственное машиностроение теряет былую конкурентоспособность по значительной номенклатуре техники. Сегодня оно ориентируется на машины, разработанные в 1970-80-х годах, которые существенно уступают зарубежным аналогам. Поэтому, сельские товаропроизводители в значительной мере ориентируются на зарубежные машины.

Начиная с 1990 года, наблюдается устойчивая тенденция снижения поступления техники в агропромышленный комплекс: пополнение машинно-тракторного парка составляет 1-3% в год, а списание - 6-8% . Складывающиеся тенденции в экономическом положении сельских товаропроизводителей и их платежеспособном спросе на сельскохозяйственную технику привели к резкому снижению объемов ее производства на предприятиях тракторного и сельскохозяйственного машиностроения [43].

С сокращением количества поставляемых селу машин оставшаяся в хозяйствах техника «стареет» физически и морально, ухудшается ее техническое состояние, снижаются производственно-технические возможности эффективного использования [136].

Согласно анализу, проводимому Федеральной службой государственной статистики, имеющийся парк сократился в период 1990-2013гг., как по Чувашской Республике, так и по Российской Федерации, по тракторам в 5 раз, по плугам и культиваторам в 6 и в 5 раз, соответственно [147].

Сокращение парка техники в сельском хозяйстве влечет за собой сокращение и сельскохозяйственных угодий, ежегодно обрабатываемых и используемых под посев сельскохозяйственных культур [135].

Без проведения технического переоснащения сельскохозяйственного производства в дальнейшем невозможно обеспечить его стабильное развитие и достижение необходимого уровня производства. В условиях постоянного роста цен на энергоносители, горюче-смазочные материалы и при высоких темпах выбытия из эксплуатации сельскохозяйственных машин необходимо сделать ставку на инновационную технику, которая будет высокопроизводительной и при этом, с меньшим расходом топлива.

В новом парке однооперационные агрегаты необходимо заменить многофункциональными, универсально-комбинированными, способными адаптироваться к имеющимся условиям производства сельскохозяйственной продукции путем быстрой смены рабочих органов.

1.2 Обзор исследований в области совершенствования почвообрабатывающих машин и орудий

В любом технологическом процессе, как отмечал академик В.П. Горячкин, требуется участие трех элементов:

- источника энергии (двигателя);

- приемника энергии (машина или орудие);

- аккумулятора энергии (среда).

На практике зачастую больше всего можно варьировать вторым элементом, а именно, машиной или орудием.

Совершенствование почвообрабатывающих орудий с целью снижения тягового сопротивления, повышения производительности, а также улучшения качества подготовки почвы осуществляется по трем направлениям [49]:

- усовершенствование пассивных рабочих органов путем изменения элементов рабочих органов (лемех, отвал, полевая доска и т.п.);

- путем введения дополнительных рабочих органов, как пассивных, так и активных - комбинированные орудия;

- путем создания новых видов машин, отличающихся принципом воздействия рабочих органов на обрабатываемый материал.

1.2.1 Усовершенствование пассивных рабочих органов

Задачи, возникающие при обработке почвы в целях создания оптимальных условий для жизни растений, решаются различными способами, приемами и системами.

Одной из основных задач улучшения эффективности использования сельскохозяйственной техники является совершенствование конструкций, как почвообрабатывающих рабочих органов, так и конструкций техники в целом.

Так, при механической обработке почвы, а именно, отвальным способом (обработка старопахотных земель, пласта многолетних трав, залежей, лугов и т.д.) осуществляется лемешно-отвальными плугами разных конструкций, являющиеся одной из наиболее энергоемких.

Одним из способов снижения тягового сопротивления плугов является применение зубчатых и волнообразных лемехов, которые дают снижение тягового сопротивления на 19% [25]. Установка зубчатых лемехов с вибрационными долотами уменьшает сопротивление - на 17% [66].

Снижение тягового сопротивления на 57% вследствие вибрации [48]

получено только при скорости не более 0,25 — , что при современных

с

требованиях к скорости резко уменьшает положительный эффект.

Совершенствование отвала идет в направлении изменения формы поверхности и уменьшения трения скольжения. Покрытие отвалов пластмассами [90, 138], применение улучшенной стали и тщательная обработка поверхности [55], образование гидродинамического слоя [29, 39, 133, 162], явление электросмоса [50, 158] и газостатическая смазка [148] или не дают существенного снижения тягового сопротивления, или же дополнительные расходы или малая надежность перекрывают получаемый эффект.

Корпус с изменяемой формой отвала и режущими полевыми досками [40] также не достигает существенного улучшения энергетических и качественных показателей работы плуга.

Установка на задних корпусах вместо полевых досок сферических или плоских дисков [24, 64, 125], а также применение вместо крыла отвала многопластных пропеллеров, сферических дисков [101] и обрезиненных роликов [151, 157] снижают тяговое сопротивление лишь на 5-17%.

Одной из первых моделей плугов в комбинации с бесприводным лопастным диском были плуги марки «Турбилятор». Лопастной диск устанавливался сзади отвала плуга поперек движения пласта. Некоторое дополнительное крошение пласта достигалось лопастями диска. Частота вращения диска была небольшой и зависела от поступательной скорости плуга, поэтому дополнительное крошение почвы было незначительным [70].

Итальянская фирма «Pedron» на некоторых плугах устанавливала вместо крыла отвала сферические диски большого диаметра (рис. 1.1). Под действием

напора пласта диск вращается и растягивает пласт, обеспечивая дополнительное крошение. При этом также улучшается оборот пласта и обеспечивается укладка его в борозду [70]. Кроме того, достигается некоторое снижение тягового сопротивления, благодаря снижению трения пласта по вращающемуся диску.

Рисунок 1.1 - Плуг фирмы "Pedron" с дисковыми отвалами

1.2.2 Комбинированные орудия с дополнительными активными рабочими органами

У этих орудий функции плужных корпусов сохраняются в основном полностью, но работа их облегчается путем установления активных рабочих органов. Дополнительные активные рабочие органы осуществляют технологический процесс (отрезают пласт почвы в продольно-вертикальной или горизонтальной плоскости, крошат пласт до отвала или после и т.д.), а также создают движущую силу по ходу движения агрегата.

В 1925г. фирмой Форд (США) было начато производство плугов под названием пластоизмельчитель [108].

Плуг-пластоизмельчитель представляет собой комбинацию плужного корпуса и вертикального ротора с несколькими рядами горизонтальных ножей. Ножи ротора врезаются в поднятый отвалом пласт и измельчают его. Ротор шарнирно присоединен к раме плуга и удерживается в рабочем положении пружиной. Это дает возможность ротору при встрече с препятствием отклониться в сторону (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Плуг-пластоизмельчитель

Фирмой М. Гаррис (США) было выпущено несколько типов аналогичных плугов под названием «пульвератор» [108]. Пульвераторы допускали пахоту на больших скоростях, чем обычные лемешные плуги, но необходимая для их работы мощность была выше на 10-15%. Испытания пульвераторов в нашей стране показали, что они удовлетворительно работали на сухих и малозадернелых почвах. В дальнейшем, плуги-пульвераторы не получили распространения и их производство было прекращено из-за недостаточного крошения пахотного слоя почвы или неполной заделки растительных остатков.

В Канаде фирмой «Фергюсон» перед корпусом плуга вместо предплужников устанавливались фрезерные секции [161, 164].

Фрезерные секции применялись в некоторых плугах не только как предплужники, но и как почвоуглубители. В качестве примера на рис. 1 .3 приведена схема однокорпусного плуга с фрезерным почвоуглубителем.

Фрезерный почвоуглубитель установлен перед плужным корпусом и производит рыхление на глубину 0,25 м ниже дна борозды. Разрыхленная почва закрывается пластом почвы, обернутым плужным корпусом. Общая глубина обработки достигает 0,5 м. Фрезерование приводит к увеличению корнеобитаемого слоя и накопления влаги в почве [156, 167].

Рисунок 1.3 - Схема плуга с приводным ротационным почвоуглубителем: 1 - ротационный почвоуглубитель; 2 - плужный корпус; 3 - рама плуга;

4 - кронштейн; 5 - навеска; 6 - редуктор; 7 - цепная передача;

8 - рычаг установки глубины; 9 - кожух

Дальнейшее совершенствование плугов подобного типа шло по пути устранения части крыла отвала и лемеха и установки на их место принудительно вращающихся роторов.

В плугах «Комбинус» (рис. 1.4) лемех и отвал корпуса плуга укорочены и ширина его захвата составляет 2/3 от ширины захвата нормального корпуса, а форма ротора подобна отрезанной части крыла. Благодаря сокращению захвата плужного корпуса и частичной передаче его функций по обороту пласта и крошению почвы ротору, тяговоое сопротивление снижается до 30%, однако, наблюдалась неудовлетворительная заделка растительных остатков [103, 159].

Рисунок 1.4 - Комбинированный плуг «Комбинус»

Известен однокорпусный винтовой плуг «Олденсворт» с горизонтальной консольной осью вращения, установленной перпендикулярно направлению движения [58]. Поднятый лемехом пласт почвы режется на куски вращающимися лопастями, отбрасывается в сторону и интенсивно крошится. Результаты испытаний показали, что буксование трактора с плугом «Олденсворт» меньше, чем с обычным.

Недостатками плуга «Олденсворт» является сложная конструкция рабочего органа и неполная заделка в почву растительных остатков. Дальнейшая работа над этим типом орудий была прекращена вследствие неудовлетворительного качества обработки почвы.

В 1913г. французкому инженеру Майе и украинскому инженеру В.Г. Коробцову были выданы патенты на плуги с винтовыми рабочими органами [107].

В плуге В.Г. Коробцова установлен двухзаходный шнек диаметром 800 мм. Поверхность витков винта несколько вогнута для того, чтобы лезвие витка входило в почву под некоторым углом ко дну борозды.

Наклонная поверхность витка шнека, подобно отвалу лемешного плуга, принимает подрезанный пласт почвы и оборачивает его. Качество вспашки винтовым плугом аналогично качеству вспашки дисковым.

Ввиду того, что витки шнека, подрезают пласт почвы под некоторым углом к направлению движения, сопротивление почвы резанию дает слагающую, направленную в сторону движения, снижающую тяговое сопротивление машины. Винтовая машина Майе применялась в виноградниках.

В 1937 г. в Советском Союзе был испытан экспериментальный образец спирального культиватора изобретателя Г.К. Калентьева [107]. Культиватор имел двухзаходный шнек, установленный перпендикулярно направлению движения, и приводился во вращение от вала отбора мощности (ВОМ) трактора.

Фирмой «Климакс» (США) в 40-х годах выпускалась фреза «Тиллмастер», рабочим органом которого являлся спиральный шнек,

расположенный перпендикулярно направлению движения [26]. При вращении шнек сдвигал почву в сторону, частично оборачивая и перемешивая ее с растительными остатками. Недостатком этой фрезы было наличие больших осевых усилий, сдвигающих ее в сторону поля. Для уравновешивания этих усилий необходимо было ставить килевой дисковый нож, на работу которого непроизводительно тратилась энергия. Кроме того, для заглубления шнекового рабочего органа на глубину более 15 см необходимо было резко увеличить вес машины.

Если плуги «Комбинус» крошат почву на полную глубину пахоты, то японские плуги «Такакита» [163] выполняют лишь поверхностное крошение почвы на глубину, равную половине глубины пахоты или меньшую (рис. 1.5). Остальная часть вспаханной почвы остается неразрешенной, крупноглыбистой. Снижение тягового сопротивления в японских плугах, вероятно, не будет. В японских плугах совмещение пахоты с боронованием осуществляется при помощи обычных плужных корпусов и вращающихся роторов, установленных с правой стороны каждого корпуса. Роторы приводятся во вращение от ВОМ трактора через карданную и конические щестеренные передачи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Федоров Денис Игоревич, 2016 год

h = r -

x2 z2( X 0

z2( X 0

J dX J fk (x ', z ' )dz'+J dX J f (x ', z ' )dz[

X3 Z1( x 0

x, 0

' (k = 1,2).

(2.33)

По аналогии с этапом I, используя равенства (2.33), выражаем интегралы

д, через квадратуры и находим интеграл /2:

»2 л/2

/i =J f1(»)d»+ J f2(»)d»,

(2.34)

»3

»2

где »з =а — л — arccos(1 — й).

/ 2 =

(2 — 3sin»3 + sin3 »3) (й — 1 — sinasin»)3

6

(6sinacos2 a)

(2.35)

3

3ж

IV. Угол поворота лопасти удовлетворяет неравенству — <а<а4

(рис. 2.9).

1 a

M3 M2 r-h

/ / и > ^S SÍ> t

Рисунок 2.9 - Схема разбиения двойных интегралов на стандартные области и определения пределов интегрирования в повторных интегралах для IV этапа работы эллиптической лопасти при немалых заглублениях

Как следует из рисунка 2.9, на последнем этапе двойные интегралы сводятся к повторным по формулам:

¡k = r -

x3 zi(x')

Г z2( X' )

J dX J fk (x ', z ' )dz'+J dX J fk (x ', z ' )dz

, (k = 1,2) .

(2.36)

Используя равенство (2.36), выражаем интеграл д, через квадратуры и находим интеграл /2 аналогично этапу I:

3 ж/2

¡i = J U3)d3+ J f2(3)d3

(2.37)

$2 $3

где подынтегральные функции первых интегралов определяются формулами:

f, =

фтЗ,(£~ 1))

cos$.

cosa- tga sin 3

Интеграл ¡2 и в этом случае определяется формулой (2.35).

(2.38)

В случае малых заглублений, при 0 < £ <

i-42

2

большая полуось

эллиптической лопасти касается дневной поверхности почвы после выхода из нее малой полуоси, т.е. а2 > а3 . Этот случай, рассматривается аналогично

z

3

о

о

x

x

2

случаю немалых заглублений. Здесь также необходимо выделить четыре этапа:

I - IV .

I. Угол а удовлетворяет неравенству а1 <а <а3(рис. 2.6)

Интеграл 1{, выражается через квадратуры по формулам (2.26 - 2.27), а 12 находится по формуле (2.28).

II. Угол а ограничен неравенством а3 < а < а2 (рис. 2.10)

х'

Рисунок 2.10 - Схема разбиения двойных интегралов на стандартные области и определения пределов интегрирования в повторных интегралах для этапа II' при малых заглублениях

В этом случае след дневной поверхности почвы в плоскости Ох'г' пересекает соответствующую окружность в т. м и т. М3 с абсциссами равными х13 =-[(1 -£)зта±(2£-£2)0,5 соза]г . Следовательно (см. на рис. 2.10), двойные интегралы сводятся к повторным согласно формулам:

Х1 х')

1к = г-31 ах | /к (х', ^ ' № (к = 1,2)

(2.39)

Хз Х')

Аналогично этапу I случая немалых заглублений, из равенства (2.39) выражаем интеграл 1Х через квадратуры и находим интеграл 12:

11 = \/1(#)а#9

(2.40)

Д =

[сов2 а-(£- 1)2(Б1И^ -)-(вт3 ^ -вт3 ^)]

3

+ (С - 1)(в1п2 ^ - вт2 $3 )вта

+

2

2сов а

(2.41)

г

<

>

III. Угол а ограничен неравенством а2 <а< ^ (рис. 2.8).

Формулы (2.34), (2.27) и (2.31) выражают интеграл ^ через квадратуры, а интеграл определяется формулой (2.35).

IV. Этот этап совпадает с этапом IV немалых заглублений (рис. 2.9)

Т.е. 3^<а<а4. Интеграл Ix выражается через квадратуры по формулам (2.37 -

2.38) и (2.31), а I3 находится по формуле (2.32).

Для различных этапов интеграл ix не берется (т.е. не выражается через элементарные функции с помощью конечного числа основных операций), но вычисляется с помощью известных численных методов на ПЭВМ. Формулы (2.23 - 2.28), (2.30 - 2.31), (2.34), (2.37 - 2.38) и (2.40) позволяют определять значения д для любых режимов работы X, относительного заглубления 0 <£<1,

угла наклона эллиптической лопасти 0 < ß < ^ и для произвольного угла

поворота лопасти ах <а<аА. По формуле (2.16) возможен анализ зависимости безразмерного результирующего момента mp элементарных сил трения почвы о боковую поверхность эллиптической лопасти от переменной а и параметров

Формулы (2.28), (2.32), (2.35), (2.41) выражают интеграл I2 через переменную а и вышеуказанные параметры, что позволяет по формуле (2.18) проанализировать зависимость безразмерного главного момента mH нормальных сил почвы от переменной а и параметров £, X, ß.

Все указанные выше формулы вместе с формулой (2.19) дают возможность проанализировать зависимости безразмерного результирующего момента m~ реакций почвы на эллиптическую лопасть от переменной а и параметров X,£,ß.

Примем, значение коэффициента трения наиболее вероятному значению f = 0,5, рекомендуемым к применению при расчетах почвообрабатывающих машин [115].

На рисунке 2.11, приведен график зависимости суммарного момента тр эллиптической лопасти от угла ее поворота а в градусах при £ = 0,5 и ( = 450 для различных значений параметра Л = 1,7; А = 2,0; А = 4,0.

Рисунок 2.11 - Зависимости момента тр эллиптической лопасти от угла ее поворота а для различных параметров Л

Из них следует, что этот момент с ростом а сначала нарастает от 0, с возрастающим ускорением, затем почти равномерно достигает максимума при угле поворота эллиптической лопасти а«2200 , а потом начинает убывать, сначала почти равномерно, затее с постепенным замедлением снова достигает 0. Результирующий момент тр незначительно возрастает с ростом Л . При изменении Л в 2 раза (от 2 до 4) максимальное значение тр изменяется на величину не более 5%. С ростом Л эта зависимость становится еще слабее. Относительно слабую зависимость этого момента от Л можно объяснить независимостью главного безразмерного момента нормальных реакций почвы

от кинематического параметра. Поскольку, значение момента тр для а = 1800

значительно меньше его максимального значения при а«2200 (65-70% в рассматриваемых случаях), то расчет момента только для вертикального положения малой полуоси эллиптической лопасти [115] нельзя принять удовлетворительным.

График зависимости результирующего момента тр от угла поворота эллиптической лопасти а при Л = 2,5 и £ = 0,5 для различных значений угла ( = 30°; ( = 450; ( = 600 приведен на рисунке 2.12.

о

150..........200...........250...........300 а°

Рисунок 2.12 -Зависимости результирующего момента тр эллиптической лопасти от угла ее поворота а для различных значений углов 3

Характер изменения результирующего момента тр с изменением а, при фиксированных Х„ £ и различных ¡, остается практически тем же, с той лишь разницей, что тр больше зависит от угла 3 при его увеличении в 2,5 раза (от 300 до 600) момент изменяется в 2,15 раза.

На рисунке 2.13 приведен график зависимости результирующего момента

тр эллиптической лопасти от а при Л = 2,5 и ¡ = 450 для различных значений параметра £ = 0,3; £ = 0,5; £ = 0,7 . Характер их изменения с изменением а при £ = 0,3 , £ = 0,5 остается тем же, а при £ = 0,7 за максимальным значением появляется небольшой участок с малой скоростью убывания при возрастании а. С ростом £ убывает значение угла взаимодействия эллиптической лопасти с почвой, и увеличивается значение угла завершения их взаимодействия.

0,4

0,3 0,2 ОД 0

100

200

300 а°

Рисунок 2.13 - График зависимости результирующего момента тр эллиптической лопасти от угла поворота а для различных значений

относительного заглубления £

р

2.2.2 Результирующие силы резания почвы лезвием эллиптической лопасти ротационного рабочего органа

Для расчета РРО с эллиптическими лопастями на прочность и оптимизации процесса его функционирования необходимо построить математическую модель его взаимодействия с почвой и, в частности, определить сопротивление резанию почвы этим рабочим органом. В работах [1, 115] предлагается методика определения сопротивления резанию главного вектора на эллиптическую лопасть РРО без учета зависимости от угла поворота а . Но при работе на твердых почвах пренебрежение сопротивлением почвы резанию может привести к существенным ошибкам.

Задаемся теми же начальными условиями, что и в главе 2.2.

Малая полуось эллиптической лопасти разрезает почву, совершая плоскопараллельное движение в вертикальной плоскости. В системе координат 0x2 с центром О, расположенным на оси вращения и положение малой полуоси задается углом поворота а (рис. 2.14). Скорость резания почвы, переменная по лезвию, определяется положением мгновенного центра скоростей РРО находящегося в точке С(0; а).

Свяжем также с РРО систему координат Ох 2 , направив ось Ох по большой, а ось 02 по малой полуоси его эллиптической лопасти.

На произвольно бесконечно малый элементарный участок, режущей части лезвия длинной 32 прилегающей к точке М (0; 2 ) , действует элементарная сила 3ЯЛ , направленная противоположно вектору и абсолютной скорости точки. Величина этой силы равна:

3ЯЛ = 0 • 32, (2.42)

где 0 - средняя удельная сила резания, приходящаяся на единицу длины лезвия.

х

O

TVT

б)

Рисунок 2.14 - Схема резания почвы лезвием эллиптической лопасти РРО:

а) первой; б) не первой

Пусть р - угол, образуемый, dЯл с положительным направлением оси Ох,

(z — a)

тогда cosp = --- и sinp =

[x2 + (z - a)2

[x2 + (z - a)2 ]2

— , а x = z sina и z = —z cosa .

Интегрируя равенство dR^ = Qdz cosp по отрезку режущей части лезвия

эллиптической лопасти и переходя к безразмерной переменной u =

Xz

получим горизонтальную проекцию результирующей силы сопротивления резанию (ССР).

Qr Г (u cosa + 1)du dRЛх = J I

Г л-д0л1 u + 2u cosa +1

(2.43)

1 -1 (а;£) „

где д0 =-4 7, а I(а;£) - длина режущей части лезвия, соответствующая углу

г

поворота а при максимальном заглублении лопасти к.

Совершенно аналогично находится вертикальная проекция этой силы:

dR,z ==— % J

u sin adu

Г л.д0-\1 u2 + 2u cosa +1 Интегралы в формулах (2.43-2.44), зависящие от a и Г как от параметров, вычисляется методом неопределенных коэффициентов [91]. Ввиду громоздкости получающихся при этом развернутых выражений, используем способ последовательных обозначений, примененных в работах [1, 117].

(2.44)

x

r

Г

Введем три функции переменных:

^ (и,а) = (и2 + 2и cosа +1)2 ;

^(и,а) = ln(u + cosа + ^(и,а)) ; (2.45)

^ (и, а) = 0,5(и - ^а) • ^ (и, а).

Тогда проекции результирующей силы сопротивлений почвы лезвию эллиптической лопасти примут вид:

(01 (а, Л, д0 )cosа + G2 (а, Л, д0) sin2 а)

3Клх = -0Т

. — —I §г . - 0 '

^лх

Л (2.46)

_ (СХ (а,Л,д0) - С2(а,Л,д0 а 3^ = -0Г--^-,

где функции 01 (а, Л,д0) = ^ (Л, а) - ^ (Л, д0, а), (/ = 1,2,3).

Последовательные выражения (2.45) и (2.46) имеют структуру, позволяющие рассчитывать необходимые значения с помощью инженерного калькулятора.

Определение длины I (а,£) режущей части лезвия рассмотрено в работе [115]. На рисунке 2.14а изображена проекция на плоскость 0x2 части эллиптической лопасти, входящей в почву первой (далее первая лопасть). Из

7/ ^ г + (г - Ь) рисунка следует, что для нее /(а,£) = —---, т.е.:

cosa

= ^. (2.47)

cosa

Для любой эллиптической лопасти, входящей в почву после первой (далее не первая лопасть) (рис.2.14б), формула (2.47) справедлива лишь на начальном этапе резания. Условие до = 1 определяет угол начала резания почвы а = а0 = аrccos(£ -1) . Завершается ее резание первой лопастью при а = 2ж-а0 (рис 2.14а). Формулы (2.45-2.47) определяют результирующие силу резания почвы первой эллиптической лопастью РРО при а0 <а< 2ж-а0.

Из формулы (2.42) следует, что для первой эллиптической лопасти горизонтальная ССР зависят только от cosa, поэтому графики их зависимости от а для относительного заглубления £ = 0,5 и значений Л = 3,0; Л = 3,5 и Л = 5,0

симметричны относительно угла а = п (рис. 2.15). Проекция ЯЛх (рис. 2.15а) является положительной, т.е. ССР является движущей силой. Вертикальная проекция ССР ЯЛ2 (рис. 2.156) отрицательна при а < п, и значит ССР является

выглубляющей силой, а при а ^ п эта проекция положительна, и ССР является заглубляющей силой.

Я» С)'

0.4 0,3 0.2 0.1

Х=5\/й

3.5

<?'

0.2 0,1

-0,1 -0.2 -0.3

К

У Х=3. 5 У

\ К=5

120 140 160 180 200 220 а' 120 140 160 180 200 220 а°

а) б)

Рисунок 2.15 - Зависимости от угла поворота а для первой эллиптической лопасти результирующей сил сопротивления почвы резанию а) проекции на ось Ох; б) проекции на ось Ог

Формулы (2.45-2.47) показывают, что максимальные значения горизонтальной проекции ССР достигаются в точке а = п и соответственно равны Р = Q ■ к, а вертикальная проекция ССР, при а = п, равна нулю.

Эти выражения необходимо учитывать при расчете РРО на прочность, притом, что Q, является функцией X , которую можно определить экспериментально. Из этих формул следует, что при вертикальном положении малой полуоси эллиптической лопасти РРО реакции сопротивления почвы резанию заменяются равнодействующей с модулем Р, направленной горизонтально в сторону движения РРО и приложенной к лезвию в точке,

расположенной на расстоянии к от дна обработанной борозды в почве. С

увеличением параметров X и £ проекции ССР монотонно возрастают, причем с увеличением X незначительно.

Для не первой лопасти формула (2.47) оказывается справедливой лишь на начальном этапе резания, до момента касания ножа верхней поверхности

отрезаемой стружки в точке ОО (рис. 2.146). На завершающем этапе резания

лезвие рассматриваемой эллиптической лопасти РРО пересекает верхнюю, предыдущей эллиптической лопастью. Этой точке соответствует угол а , отложенный от вертикали в точке О , которая расположена на горизонтальной прямой, проходящей через точку О данной эллиптической лопасти, и лежащей на расстоянии г от точки О (рис. 2.146). При перемещении оси вращения РРО из положения, определяемого точкой О , в положение, задаваемое точкой О,

рабочий орган поворачивается на угол — + (а-а) , а его ось вращения

г п

проходит при этом расстояние О'О , которое равно d =

2ж ,

--+ (а — а )

г л

г

-, где

Л

г Л = 4 - число эллиптической лопастей. Из теоремы синусов для треугольника ООО (рис. 2.146) следуют равенства:

+ (а — а )

г

сова + вт(а — а

) = 0, (2.48)

Л

Л

дй= соа. (2.49)

сова

Угол а является функцией угла а , неявно заданной трансцедентным уравнением (2.48), которая находится с помощью одного из численных методов. Ее подстановка в равенство (2.49) позволяет выразить д0 как функцию а . Таким образом, равенства (2.45), (2.46), (2.48) и (2.49) определяются на завершающем этапе резания как сложные функции от угла а результирующие ССР почвы не первой эллиптической лопастью РРО.

Поскольку точка ОО расположена на дневной поверхности то, если в (2.48) положить а = агссов(£-1), получится трансцендентное уравнение для определения угла а = а завершения резания дневной поверхности почвы (начального этапа) и начала резания верхней поверхности стружки (завершающего этапа).

Значение угла а = а2 , соответствующее завершению резания почвы лезвием малой полуоси эллиптической лопасти в точке пересечения циклоид на дне борозды также определяется из уравнения (2.48). Так как в этой точке дО = 1,

(Ж — а2 ——)

' О • 2Л

а = 2л —а2, то &та2 =---, то оно переходит в известное уравнение,

определяющее положение гребней на дне борозды при работе фрезы [126].

Графики зависимостей от угла поворота а проекций результирующей силы резанию сопротивления почвы лезвием не первой эллиптической лопасти РРО и части соответствующих графиков для эллиптической лопасти, следующей за ней, при £ = 0,5 и значений Л = 3; Л = 3,5; Л = 5 приведены на рисунке 2.16.

Горизонтальная проекция ССР ЯЛХ с ростом а почти линейно монотонно возрастает (от нуля) на начальном этапе резания и, продолжая возрастать вначале завершающего этапа (для Л = 3,5 и Л = 5 ), достигает своего максимального значения, убывая затем снова до нуля. График ее зависимости от а терпит излом в точке перехода от первого этапа ко второму. Через период 3 600 .

-= 900 с почвой начинает взаимодействовать лезвие следующей

г Л

эллиптической лопасти РРО, поэтому указанное изменение ЯЛХ повторяется снова (рис. 2.16а). График зависимости от а вертикальной проекции ССР ЯЛ2 (рис. 2.166) приближенно является объединением двух половин синусоид разных амплитуд (для Л = 3,5 и Л = 5 ), причем амплитуда выглубляющего воздействия на РРО на начальном этапе резания значительно больше амплитуды заглубляющего на завершающем этапе. С увеличением параметров Л и £ максимальные значения модулей проекций ССР монотонно и существенно возрастают, что объясняется увеличением линейных размеров стружки.

Ог 0.4

0.3

0,2

0,1

/х 3\

Л=3,5\

120 140 160 180 200 220 а°

а)

Рисунок 2.16 - Зависимости от угла поворота а для не первой эллиптической лопасти результирующей сил сопротивления почвы резанию а) проекции на ось Ох; б) проекции на ось Ог

При расчете РРО с эллиптическими лопастями на длительную прочность нужно учитывать, что при взаимодействии с почвой второй и последующих его эллиптических лопастей испытывает циклические нагрузки, амплитуда колебаний которых меньше наибольших значений сил и моментов при резании почвы лезвием первой эллиптической лопасти. При больших значениях X это различие амплитуд значительно.

Реакции сопротивления почвы резанию лезвием эквивалентны главному вектору, приложенному в точке О, с проекциями задаваемыми выражениями (2.42) и (2.43). Эту систему сил можно заменить одной равнодействующей, приложенной в точке лезвия, находящейся от оси вращения РРО на расстоянии

го =

-Мп , , 1 . ЛП7ч „

г----й , где ял = (Яш + щ2)2 , а у = агс8т(-), угол, составляемый

[Ял • соБ(а + у)] Яг

1Л

равнодействующей силой с положительным направлением оси Ох .

г

Графики зависимости — от а при относительном заглублении £ = 0,5 для

г

первой эллиптической лопасти (рис. 2.17а) практически сливаются для значений X = 3; X = 3,5; X = 5 . При а < п расстояние г0 монотонно убывает от

наибольшего значения г0 = г в момент касания лезвия эллиптической лопасти

к

дневной поверхности почвы до наименьшего значения г0 = г - — при а = п , а

затем возрастает до значения г в момент выхода лезвия из нее. Модуль

равнодействующей Ял , при тех же значениях X и £ также почти не зависящий от параметра X, наоборот монотонно возрастает при а < л от наименьшего значения Ял = 0 до наибольшего значения Р в точке а = л и затем снова убывает до нуля при а > л (рис. 2.176). Угол у , слабо зависящий от X , монотонно убывает с ростом а почти по линейному закону (рис. 2.17 в).

120 140 160 180 200 220 а° 120 140 160 180 200 220 а." 120 140 160 180 200 220 а"

а) 6) в)

Рисунок 2.17 -Зависимости от угла поворота а для первой лопасти: расстояния от оси вращения до точки приложения равнодействующей сил сопротивления почвы а) резанию; 6) ее модуля; в) угла наклона

Поскольку при а = л, и для не первой эллиптической лопасти, элементарные силы резания одинаковы по величине и одинаково направлены (горизонтально), то они эквивалентны равнодействующей, приложенной в середине режущей части лезвия. Из формул (2.42)-(2.44) для этой эллиптической лопасти следует ЯЛХ = ^г(1 -д1), Ялг = 0 , где д1 = д0 при а = л .

Следовательно, — =1 + ^ . Графики, зависимости — от а для не первой

г 2 г

эллиптической лопасти, построенные для указанных выше значений

параметров X и показывают, что это значение — является минимальным.

г

Точка приложения равнодействующей при резании изменяет свое положение от наиболее удаленного расположения от оси вращения РРО в начале и конце процесса резания, до наиболее близкого при вертикальном расположении лезвия (рис. 2.18а). С ростом а характер изменения модуля равнодействующей сил сопротивления резанию показан на рисунке (рис. 2.186). Угол у монотонно убывает с ростом а (рис. 2.18в), график его

зависимости от этого угла практически совпадают с соответствующими частями графиков на рисунке 2.17в.

Л*

(?г 0.4

0.3

0.2

0.1

/Х3.5\.

60 40 20 0 -20

Х=3,5

Х-54

120 140 160 180 а' 120 140 160 180 а'

а) б) в)

Рисунок 2.18 -Зависимости от угла поворота а для не первой лопасти: расстояния от оси вращения до точки приложения равнодействующей сил а) сопротивления почвы резанию; б) ее модуля; в) угла наклона

Таким образом, предложенная методика расчета результирующих сил сопротивлений почвы режущими частями лезвий РРО может использоваться и для режущих стоек ножей фрезы, а с некоторыми изменениями она может быть перенесена и на лезвия других почвообрабатывающих ротационных рабочих органов. Эта методика позволяет упростить эксперименты, необходимые для определения результирующих сил и моментов реакций почвы на ротационные рабочие органы, и уменьшить количество этих экспериментов.

2.3 Определение потребной мощности привода ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями

2.3.1 Потребная мощность для привода ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями, затрачиваемой на обработку почвы боковой ее поверхностью

Определение мощности для привода РРО с эллиптическими лопастями складывается из двух составляющих - потребная мощность, затрачиваемая на обработку почвы лезвием эллиптической лопасти и боковой ее поверхностью.

Мощность для привода РРО с эллиптическими лопастями определяется формулой N = шрш , а безразмерная мощность ( N = N/(рг2уп) ), выражается

формулой - N = мр X. На практике наиболее интересной являются зависимости максимального по а значения этой мощности Ыт от безразмерных параметров X, £ и р, которые определяются известными численными методами. Графики этих зависимостей приведены на рисунках 2.19, 2.20, 2.21.

N

ш 2 1,5 1

: £ = 0,7

0^11

1

ч = 0,3 11

2 2,5 2 3,5 4 4,5 Я.

Рисунок 2.19 - Графики зависимости 1т от X при различных значениях £ Как следует из графиков на рисунке 2.19 максимальное значение потребной мощности при фиксированном Р = 450 для всех значений относительных заглублений £ = 0,3; £ = 0,5; £ = 0,7 практически линейно зависит от X , причем двукратному увеличению коэффициента X соответствует примерно двукратное увеличение Ыт .

ЛГ

4 у к ь = 0,74

у = 0,5«

/ 1 г-

1 —" 1 1 (Ь- 0,31

30 40

50

60 70 Р°

Рисунок 2.20 - Графики зависимости 1т от угла Р при различных значениях £ Графики на рисунке 2.20 показывают, что при X = 2,5 для всех значений относительных заглублений £ = 0,3 ; £ = 0,5 ; £ = 0,7 для углов р < 50° Ыт также практически линейно с р незначительно возрастает, а при больших значениях резко возрастает с ростом этого угла. Этот резкий рост объясняется

неограниченным увеличением большой полуоси эллиптической лопасти при Р ^ 900.

01----

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 §

Рисунок 2.21 - Графики зависимости Nm от £при различных значениях Л

Наконец, из графиков 2.21, построенных при Р = 450 для всех значений Л = 2,5 ; Л = 3,0 и Л = 3,5 видна нелинейная зависимость Nт от относительного заглубления £. При больших значениях £ рост несколько замедляется.

Необходимо отметить, что на максимальное значение потребной мощности, затрачиваемой на привод боковой поверхности эллиптической лопасти оказывает некоторое влияние и взаимодействие эллиптической лопасти с почвой, входящей в почву следующей за первой, но это влияние незначительно, оно составляет величину порядка 10% при £ = 0,7 и уменьшается

с уменьшением относительного заглубления, не оказывая влияния на при

малых £ .

2.3.2 Потребная мощность для привода ротационного рабочего органа, затрачиваемой на обработку почвы лезвием эллиптической лопасти

Выберем за положительное направление моментов сил направление, совпадающее с направлением вращения РРО, тогда момент относительно точки О элементарной силы сопротивления резанию йЯл будет определяться равенством dMO = - zdRЛх + хdRЛz, интегрируя которое, найдем результирующий

момент сопротивления резанию лезвием (методика определения RЛх и RЛz представлена в гл. 2.3):

м _ Qr2 ГЛ и (и + ооа^и (2 50)

О Л л/ и2 + 2и 008а + 1

Интеграл в формуле (2.50), зависящий от а и Л как от параметров, вычисляются методом неопределенных коэффициентов. Ввиду громоздкости получающихся при этом развернутых явных выражений, используем способ последовательных обозначений, показанный в главе 2.3.

Тогда проекции суммарного момента сопротивления почвы резанию одной эллиптической лопасти примет вид:

М =-£>2. О3 (а, Л ^0 ) - 0,502 (а, Л, ^0 ) а (2 51)

Л2

где функции О, (а, Л, С0) = ^ (Л, а) - ^ (Л, С0, а), , = 1,2,3.

Последовательные выражения (2.51) и (2.52) имеют простую структуру, но и позволяют рассчитывать необходимые значения с помощью инженерного калькулятора.

Определение длины режущей части лезвия эллиптической лопасти рассмотрено в работе [115]. На рисунке 2.24а изображена проекция на плоскость 0x2 части эллиптической лопасти, входящей в почву первой (далее

первая лопасть). Из рисунка следует, что для нее I = («;£) = г + -——, т.е.

00Б«

С . (2.52)

00Б«

Для любой эллиптической лопасти, входящей в почву после первой (далее не первая лопасть), формула (2.52) справедлива лишь на начальном этапе резания. Условие Со = 1 определяет угол начала резания почвы а = «0 = агооо8(£ -1) . Завершается ее резание первой эллиптической лопастью при а = 2ж-а0 (рис. 2.22а). Формулы (2.45, 2.51, 2.52) определяют момент сопротивления резанию почвы первой эллиптической лопастью рабочего органа при а0 <а< 2ж-а0.

Из формулы (2.50) следует, что для первой эллиптической лопасти момент сопротивлению резания лезвием почвы зависят только от eos«, поэтому график их зависимости от а для относительного заглубления £ = 0,5 и значений Л = 3,0 ; Л = 3,5 и Л = 5,0 , приведенные на рисунке 2.22, симметричны относительно угла а = л. Поскольку момент сопротивления резанию является неположительным, то он тормозит вращение РРО и для его преодоления необходимо прикладывать к нему равный этому моменту по абсолютной величине положительный момент вращения.

Рисунок 2.22 -Зависимости суммарного момента сопротивления резанию лезвием от угла поворота а для первой эллиптической лопасти

Формулы (2.45, 2.51, 2.52) показывают, что максимальные значения модуля момента сопротивления резанию достигаются в точке а = п и

к

соответственно равны М = Р ■ (г -—). Эти выражения необходимо учитывать при

расчете РРО с эллиптическими лопастями на прочность, не забывая при этом, что Q, вообще говоря, является функцией X , которую можно определить экспериментально. С увеличением параметров X и £ модули момента сопротивления резания лезвием эллиптической лопасти монотонно возрастают, причем с увеличением X незначительно.

Для не первой лопасти формула (2.52) оказывается справедливой лишь на начальном этапе резания, до момента касания ножа верхней поверхности отрезаемой стружки в точке (рис. 2.19). На завершающем этапе резания лезвие рассматриваемой эллиптической лопасти РРО пересекает верхнюю поверхность стружки в некоторой точке В трохоиды, образованной

предыдущей эллиптической лопастью. Этой точке соответствует угол а , отложенный от вертикали в точке О', которая расположена на горизонтальной прямой, проходящей через точку О данной эллиптической лопасти, и лежащей на расстоянии г от точки О (рис. 2.19). При перемещении оси вращения рабочего органа из положения, определяемого точкой О , в положение,

задаваемое точкой О, рабочий орган поворачивается на угол — + (а-а ), а его

г Л

ось вращения проходит при этом расстояние О О , которое равно

а =

2ж . --I- (а — а )

■ —, где г Л = 4 - число эллиптической лопастей. Из теоремы

X

X

сова

=

синусов для треугольника О ОО (рис. 2.196) следуют равенства:

--+ (а —а )

г

сова + вт(а — а

') = 0, (2.53)

(2.54)

сова

Угол а является функцией угла а , неявно заданной трансцедентным уравнением (2.53), которая находится с помощью одного из численных методов. Ее подстановка в равенство (2.54) позволяет выразить д0 как функцию а. Таким образом, равенства (2.45), (2.51) и (2.52) определяют на завершающем этапе резания как сложные функции от угла а момент сопротивления резанию почвы не первой эллиптической лопастью РРО.

Поскольку точка ОО расположена на дневной поверхности то, если в (2.53) положить а = агссов(£ — 1) , получится трансцендентное уравнение для определения угла а = аг завершения резания дневной поверхности почвы (начального этапа) и начала резания верхней поверхности стружки (завершающего этапа).

Значение угла а = а2 , соответствующее завершению резания почвы лезвием малой полуоси эллиптической лопасти в точке пересечения циклоид на дне борозды также определяется из уравнения (2.53). Так как в этой точке дО = 1,

ж-а

- ! I--

а = 2ж-а , то Бта. =

Л

, то оно переходит в известное уравнение,

определяющее положение гребней на дне борозды при работе фрезы.

Графики зависимостей суммарного момента сопротивления почвы резанию лезвием не первой эллиптической лопасти от угла поворота а рабочего органа и части соответствующих графиков для эллиптической лопасти, следующей за ней, при £ = 0,5 и значений Л = 3,0 ; Л = 3,5 и Л = 5,0 приведены на рисунке 2.25.

Модуль момента сопротивления резанию лезвием эллиптической лопасти монотонно возрастает с ростом а на первом этапе и убывает на втором, достигая своего наибольшего значения в точке излома графика его изменения (рис. 2.23). С увеличением параметров Л и £ максимальные значения модулей момента сопротивления резанию монотонно и существенно возрастают, что объясняется увеличением линейных размеров стружки.

При расчете РРО с эллиптическими лопастями на длительную прочность нужно учитывать, что при взаимодействии с почвой второй и последующих его эллиптических лопастей испытывает циклические нагрузки, амплитуда колебаний которых меньше наибольших значений сил и моментов при резании почвы лезвием первой эллиптической лопасти. При больших значениях Л это различие амплитуд значительно.

о»Г

0,3

0.2

0,1

Л=3 А \ /

/ А. 54

120 140 160 180 200 220 а.'

Рисунок 2.23 - Графики зависимости суммарного момента сопротивления резанию лезвием эллиптической лопасти от угла поворота а для не первой эллиптической лопасти

г

Л

Поскольку при а = л , и для не первой эллиптической лопасти, элементарные силы резания одинаковы по величине и одинаково направлены (горизонтально), то они эквивалентны равнодействующей, приложенной в середине режущей части лезвия. Из формулы (2.50) для этой эллиптической лопасти следует М = -(2— 2(1 — ^2), где д1 = д0 при а = ж.

Предложенная методика определения максимальной мощности для привода РРО с эллиптическими лопастями позволяет на основе вычислительного эксперимента максимально упростить экспериментальной определение различных силовых характеристик и значительно сократить объем необходимых дорогостоящих лабораторных и полевых экспериментов при проектировании рабочего органа.

Выводы