Динамические условия обеспечения равномерного движения самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с ходовыми колесами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.31

ДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ САМОХОДНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ФРЕЗ

С ХОДОВЫМИ КОЛЕСАМИ

В. Ф. Купряшкин, канд. техн. наук; М. Н. Чаткин, доктор техн. наук, профессор; Н. И. Наумкин, доктор пед. наук, канд. техн. наук, профессор; А. В. Безруков, преподаватель

ГОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва», г. Саранск, т. 8(8432) 47-36-54, E-mail: kupwf@rambler.ru

В результате проведенного динамического анализа получены условия равномерного движения самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с ходовыми колесами в зависимости от основных силовых факторов взаимодействия фрез барабанов при обработке почвы, режимов работы и конструктивных особенностей.

Ключевые слова: самоходная малогабаритная почвообрабатывающая фреза, устойчивость, силовые факторы, равномерное движение, ходовые колеса, буксование, подталкивание.

Для механизации различных сельскохозяйственных работ в личных подсобных хозяйствах, приусадебных участках, теплицах и выполнения малых объемов работ в крупных сельскохозяйственных предприятиях предназначены мотоблоки и мотокультиваторы - малогабаритные энергосредства, способные выполнять функции тракторов, источником энергии которых являются двигатели внутреннего сгорания. Основное отличие мотоблоков от мотокультиваторов заключается в том, что мотоблоки непосредственно выполняют функции трактора, между мотоблоком и орудием имеется соединительное звено, а мотокультиваторы - это симбиоз энергосредства и орудия для выполнения определенного вида работ [6, 7, 9, 15].

Учитывая специфику проводимых исследований, в дальнейшем остановимся подробно на мотоблоках и мотокультиваторах, оснащенных почвообрабатывающими фрезами, т. е. на самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрезах (СМПФ).

Некоторые вопросы динамических условий обеспечения равномерного движения почвообрабатывающих фрез рассмотрены в трудах П. М. Василенко и П. Т. Ба-бия [3, 4, 5], Э. П. Логутенко [8], И. С. Пол-тавцева [13]. При этом решение ряда вопросов было дано в общем виде. Более детально эти вопросы на примере прицепной лесной фрезы ФЛН-0,8, агрегатируемой с трактором, были рассмотрены В. Н. Борисовым [2]. Однако вопрос динамических условий обеспечения равномерного движения самоходных малогабаритных почво-

обрабатывающих фрез с ходовыми колесами специально не рассматривался, кроме того, в ранее проведенных исследованиях не был обеспечен комплексный подход при его изучении с учетом технологических режимов работы СМПФ и почвенных условий.

При выполнении технологического процесса обработки почвы СМПФ перемещается за счет силы сцепления ходовых колес с почвой. При этом мощность двигателя расходуется на преодоление момента сопротивления резанию почвы ножами на фрезбарабанах, на преодоление сопротивлений при перекатывании ходовых колес и при трении опорного якоря или полозка о почву, а также часть мощности теряется в трансмиссии.

Рассмотрим более подробно силы, которые действуют на СМПФ при обработке почвы. Под действием приложенного к валу фрезбарабана крутящего момента Мкр происходит процесс резания почвы ножами фрезбарабанов, в результате чего возникают силы ^ и Ег (рис. 1). Кроме этого на фрезу действует сила тяжести Г , приложенная в центре тяжести (т. С), которую можно разложить на составляющие, а именно силу тяжести, приходящуюся на фрезбара-баны ^ (приложена в т. О), и силу тяжести, приходящуюся на ходовые колеса (приложена в т. А).

При перемещении по полю между ходовыми колесами и почвой возникает сила тяги ^тк, которая направлена на преодоление силы сопротивления при перекатыва-

Силы, действующие на СМПФ в продольно-вертикальной плоскости

нии ходовых колес Еск и на преодоление силы трения опорного якоря или полозка с почвой. Для управления фрезой оператор прикладывает к органам управления усилие Ер, при этом во время выполнения

технологической операции по обработке почвы СМПФ принимаем значение силы Ер, равное нулю. Кроме этого при анализе

курсовой устойчивости СМПФ полагаем, что поверхность почвы ровная и горизонтальная.

Условием равномерного поступательного движения СМПФ является в первую очередь отсутствие значительного буксования ходовых колес относительно почвы, а во вторую - отсутствие самопроизвольного перекатывания СМПФ под действием силы .

Таким образом, опираясь на схему действующих сил (рисунок) составим уравнения курсовой устойчивости СМПФ.

Условие устойчивости по отсутствию значительного буксования будет иметь вид

(1)

где ¥х - подталкивающая сила на фрезба-рабане, Н; Етк - сила тяги на ходовых колесах, Н; - сила трения опорного якоря (полозка) с почвой, Н; Еск - сила сопротивления перекатыванию ходовых колес, Н.

Для определения силы тяги на ходовых колесах воспользуемся рекомендациями [1], согласно которым силу Етк с достаточно высокой степенью точности можно определить по формуле

Етк = £с Ек,

Е + Етк - Ея - Еск > 0,

(2)

где кс - коэффициент сцепления ходовых колес с почвой; Ек - сила тяжести СМПФ на оси ходовых колес, Н.

Для определения силы Ек воспользуемся рис. 1, откуда получим зависимость

Л (1п 8ш0-11 )

I ятО

(3)

где Е - сила тяжести СМПФ, Н; 1п - расстояние между осями ходовых колес и фрезбарабанов, м; 5 - угол наклона осевой линии АО рамы (редуктора) к вертикальной оси, град; 11 - расстояние от центра тяжести СМПФ до оси ходовых колес, м.

После преобразования выражения (3) получим

Ек = Е

1 —

I

I

(4)

Из рис. 1 значение угла 5 можно определить по формуле

=

Б - Бф+А 2 2 I

(5)

где Бк и £>ф- соответственно диаметры

ходовых колес и фрезбарабанов, м; Л -глубина обработки почвы, м.

Из формулы (5) выражаем значение угла 5:

о ( Бк - Бф + 2И\

о = агссо^ --- . (6)

I 21 п )

Далее, последовательно подставляя (6) в (4) и в (2), получим:

Нива Поволжья № 4 (21) ноябрь 2011 53

К = F„

1 —

А

Ктк = К К

I БШ

1 —

(- Рф + 2Н \ агееоз ---

I 21 п )

(7)

К зш

( Рк - Рф + 2ЬV

агееоз ---

I 21 п )

(8)

Силу определим из рисунка, откуда получим следующую расчетную зависимость:

Кя = / (Кф - КД (9)

где f - коэффициент трения опорного якоря или полозка о почву; Кф - сила тяжести

СМПФ на оси фрезбарабанов, Н; К - выталкивающая сила на фрезбарабане, Н.

В свою очередь для определения силы Кф воспользуемся риунком, откуда получим зависимость

К =_

ф 1п

(10)

После последовательной подстановки (6) в (10) и (9) получим

К =

К ЯШ

( Рк - Рф + 2Н V

агееоз ---

I 21 п )

(11)

Кя = Г

КА

/ зт

агееоз

Г Рк - Рф+2И V

I"

2/,

1

- Я

(12)

Природу силы сопротивления перекатыванию изучали многие исследователи [10, 11, 12 и др.]. Она зависит от различных факторов, основными же являются свойства почвы (структура, механический состав, влажность, сопротивление сжатию и сдвигу, микрорельеф поверхности) и свойства ходового аппарата (у колесных машин -радиус качения, ширина профиля, тип протектора, давление воздуха в шине). Если свойства ходового аппарата стабильны по величине и их можно определить заранее, то свойства почвы имеют вероятностный характер, и их влияние на силу сопротивления перекатыванию в большинстве случаев можно определить только во время взаимодействия ходового аппарата с почвой. В силу этого можно утверждать, что и сила сопротивления перекатыванию будет иметь вероятностную составляющую.

Силу сопротивления перекатыванию ходовых колес согласно рекомендациям [10, 11, 12] можно определить по формуле

Кк = , (13)

где у - коэффициент сопротивления качению ходовых колес.

Для определения коэффициента у согласно [14] рекомендуется применять формулу Гранвуане-Горячкина, которая имеет следующий вид:

К

аР2Ъ '

1 К к

(14)

где д - объемный коэффициент смятия почвы, Н/м3; Ьк - ширина обода колеса, контактирующего с почвой, м.

Таким образом, после подстановки (2.62) в (2.61) и преобразований получим:

К,, = 3

К

(15)

С учетом (7) зависимость (15) примет

вид:

К

К. = '

1—

/

/п ЯШ

( Рк - Рф + 2И V' агееоз ---

I 2/ „ )

чР2А

-. (16)

Таким образом, полученные зависимости (8), (12) и (16) подставляем в (1) и получаем условие устойчивости СМПФ в продольно-вертикальной плоскости при отсутствии буксования в развернутом виде:

К + КК

1—

/

I ят

агееоз

( Рк - Рф + 21,)

I"

2/

- Г

К/

/п 81П

( Рк - Рф +

агееоз -2-

I 2/ п )

- К

(17)

Учитывая, что для конкретного режима

работы составляющую

ч

" (Рк - Рф + 2И) агееоз ---

I 2/ п )

-14

/п ЯП

условий (13) можно считать постоянной величиной, и обозначив ее через К1, запишем условие (17) в упрощенном и окончательном виде:

К+К £с (1-О-/ ( к - К)- 3 .

V

К4 (1 - К1)4

дБ,

X

> 0.

(18)

Условие устойчивости при отсутствии самопроизвольного перекатывания СМПФ в общем будет иметь вид

К-Кя-Кск < 0. (19)

Таким образом, подставляя ранее полученные зависимости (12) и (16) соответственно сил трения опорного якоря (полозка) с почвойКа и сопротивления перекатыванию ходовых колес Кск в (19), получим условие при отсутствии самопроизвольного перекатывания СМПФ в развернутом виде:

К - /

К

1п sin

1—

( Бк - Бф + 2^

агссо8 -2—

I 21 п

I

—К

1п sin

(Бк - Бф + 2И] агссо8 --—

I 21 п

(20)

дБ,

%

< 0.

С учетом, как и в предыдущем случае,

что

11

I sin

( Бк - Бф + 2Н^ агссоБ ---

I 21 п )

= К

условие

устойчивости СМПФ в продольно-вертикальной плоскости при условии отсутствия самопроизвольного перекатывания (20), примет окончательный вид:

К -

' « К-К)-Щ1

< 0.

(21)

Таким образом, полученные условия (18) и (21) связывают между собой основные силовые факторы взаимодействия фрез барабанов с почвой при выполнении технологической операции с учетом технологических параметров, свойств почвы и конструктивных особенностей машины, режим работы с массовыми характеристиками и конструктивными параметрами СМПФ.

Литература

1. Атакишев, Т. С. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. В 3 т. Т. 3. / Т. С. Атакишев, П. У. Бахтин, А. М. Борисов и др. - М.: Машиностроение, 1964. - 836 с.

2. Борисов, В. Н. Исследование динамических характеристик и режимов работы почвообрабатывающих фрез: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В. Н. Борисов. - Киев, 1969. - 27 с.

3. Василенко, П. М. Некоторые вопросы динамики почвообрабатывающих машинно-тракторных агрегатов с ротационными рабочими органами / П. М. Василенко // Материалы НТС ВИСХОМа. Вып.12. - М., 1963. - С.102-118.

4. Василенко, П. М. Культиваторы (конструкция, теория и расчет) / П. М. Василенко, П. Т. Бабий. - Киев: Изд-во АН УССР, 1961. - 239 с.

5. Василенко, П. М. Влияние гироскопического эффекта ротационных устройств некоторых типов сельскохозяйственных машин на устойчивость их движения и управление / П. М. Василенко // Земледельческая механика: Сб. тр. Т. 4. / Под ред.

B. А. Желиговского. - М.: Машиностроение, 1965. - С. 19-34.

6. Залигин, О. Г. Малая механизация в приусадебных и фермерских хозяйствах / О. Г. Залигин, С. О. Гусаков, В. П. Забор-ский и др. - Киев: Урожай, 1996. - 368 с.

7. Кичжи, А. С. Производство мотоблоков в КНР / А. С. Кичжи // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1988. - № 2. -

C. 57-59.

8. Логутенок, Э. П. Динамика барабана с качающимся зубом / Э. П. Логутенок // Вестник сельскохозяйственной науки. -1963. - № 10. - С. 93-96.

9. Машины и оборудование для АПК, выпускаемые в регионах России: кат. Т. 1. - М.: Информагротех, 1997. - 316 с.

10. Нафиков, М. З. Расчет сопротивления движению трактора / М. З. Нафиков, И. С. Поляков // Тракторы и сельхозмашины. - 1968. - № 1. - С. 14-16.

11. Полетаев, А. Ф. Качение ведомого колеса / А. Ф. Полетаев // Тракторы и сельхозмашины. - 1963. - № 2. - С. 5-7.

12. Полетаев, А. Ф. Качение ведущего колеса / А. Ф. Полетаев // Тракторы и сельхозмашины. - 1964. - № 1. - С. 11-15.

13. Полтавцев, И. С. Специальные землеройные машины и механизмы для городского строительства / И. С. Полтавцев, В. Б. Орлов, И. Ф. Ляхова. - Киев: Буди-вельник, 1977. - 137 с

3

Нива Поволжья № 4 (21) ноябрь 2011 55

14. Синеоков, Г. Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г. Н. Синеоков, И. М. Панов. - М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.

15. Средства механизации для производства и переработки сельскохозяйственной продукции в малых формах хозяйствования: кат. - М.: ФГНУ «Росинформагро-тех», 2008. - 280 с.