Экспериментальные исследования энергетических показателей шнекового режущего аппарата мелиоративной косилки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.353.722 Т. А. Погоров

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ШНЕКОВОГО РЕЖУЩЕГО АППАРАТА МЕЛИОРАТИВНОЙ КОСИЛКИ

Цель исследований - определение энергетических показателей шнекового режущего аппарата мелиоративной косилки при разных углах наклона окашиваемой поверхности и скоростях движения, а также подбор базового шасси (трактора). На первом этапе были проведены лабораторные исследования, в ходе которых были определены величины мощностей, затрачиваемых на привод режущего аппарата, резание стеблей камыша, измельчение и транспортировку скошенной массы. Замеры крутящего момента производились при постоянной скорости, но с изменением угла наклона окашиваемой поверхности 0; 15; 30; 45°. Затем устанавливалась другая скорость, и опыт повторялся в той же последовательности. Поступательные скорости режущего аппарата менялись в следующей последовательности: 0,25; 0,75; 1,25 м/с. В результате лабораторных исследований установлено, что мощность, затрачиваемая на измельчение и транспортировку камыша, во всех опытах практически не меняется. Существенным изменениям подвержена энергоемкость процесса резания стеблей камыша при изменении скорости движения режущего аппарата. Результаты обработки лабораторных данных показали, что изменение угла наклона окашиваемой поверхности оказывает незначительное влияние на затраты мощности шнекового режущего аппарата. Изменение угла наклона окашиваемой поверхности не оказывает никакого влияния на скорость передвижения шнекового режущего аппарата. Основное влияние на рост затрат мощности на резание стеблей камыша оказывает изменение поступательной скорости шнекового режущего аппарата. В результате исследований был произведен подбор базового шасси (трактора) класса 1,4 тс, который в агрегате с косилкой, оснащенной шнековым режущим аппаратом, будет обеспечивать устойчивое выполнение технологического процесса. При этом загрузка двигателя (мощностью 59 кВт) трактора при агрегатировании с косилкой составит 41 %.

Ключевые слова: шнековый режущий аппарат, энергетические показатели, крутящий момент, мощность, дисперсный анализ, поступательная скорость, угол наклона окашиваемой поверхности.

T. A. Pogorov

Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

ENERGY INDICATORS OF SCREW CUTTERBAR FOR AMELIORATIVE CLIPPER

The objective of the research is to determine energy indicators of a screw cutterbar for ameliorative clipper under the different angles of mowed surface and moving speed, as well as the choice of base chassis (tractor). At the first stage laboratory study was conducted, during the study we determined the values of power required for driving a cutterbar, cutting stems of cane, grinding and transport of mowed mass. Torque measurements were made at a

constant speed by changing an angle of mowed surface 0; 15; 30; 45°. Then another speed was set and the experiment was repeated again in the same sequence. Forward speeds of a cutterbar were changed in the following sequence: 0.25; 0.75; 1.25 m/sec. The laboratory experiments results in determine that power required for grinding and transport of cane over all experiments actually doesn't change. Significant changes were found for power-intensity of the process of cane stems cutting under the variation of moving speed of a cutterbar. Results of laboratory data processing show that change of an angle of mowed surface has insignificant impact on power costs of screw cutterbar. Change of an angle of mowed surface has no influence on the moving speed of screw cutterbar. The main effect on the increasing of power costs for cutting cane stems has the variation of forward speed of a screw cutterbar. The research resulted in the selection of basic chassis (tractor) of class 1.4 ton-force, which in the unit with the clipper equipped by screw cutterbar will provide the sustainable technological process, while the motor loading (power 59 kW) of a tractor is 41 %.

Keywords: screw cutterbar, energy indicators, torque, power, variance analysis, forward speed, angle of mowed surface.

Шнеки как транспортирующие устройства изучены достаточно давно и всесторонне. В то же время использование их в качестве режущих аппаратов, скашивающих, измельчающих и транспортирующих растительную массу, не имеет достаточного научного обоснования. В связи с этим целью данной работы является исследование энергетических показателей шнеко-вого режущего аппарата (ШРА) при разных углах наклона окашиваемой поверхности и скоростях движения, а также подбор базового шасси (трактора).

После определения оптимальных геометрических параметров рабочего органа [1] были проведены исследования энергетических показателей ШРА мелиоративной косилки. Для этого нами была разработана и собрана в лаборатории механизации ФГБНУ «РосНИИПМ» установка для проведения исследований (ШРА). Установка для проведения исследований (рисунок 1) состоит из ходовой тележки 1, перемещающейся по рельсам 2. На тележке 1 находится монтажная рама 3, которая может двигаться вверх и вниз за счет четырех синхронных электроредукторов 4. На монтажную раму 3 смонтирована наклонная рама 5. В наклонную раму вмонтирована на роликах 6 подвижная рама 7. На подвижной раме 7 смонтирован регулируемый электропривод постоянного тока, состоящий из блока управления 8 и электродвигателя 9 мощностью 1,5 кВт. Электродвигатель 9 приводит во вращение ШРА 10. Движение тележки 1 осуществляется с помо-

щью электродвигателя, полиспастов и тросового барабана. Скорости передвижения тележки регулируются коробкой перемены передач МТЗ. Наклонная рама 5, управляемая от автономной насосной станции 11, посредством двух гидроцилиндров 12 может менять угол наклона рабочего органа от 0 до 45°. Изменение положения подвижной рамы 7 относительно наклонной рамы 5 осуществляется гидроцилиндром 13. Специальная кассета 14 также может поворачиваться от 0 до 45°, имитируя откос канала. Между электродвигателем 9 и ШРА 10 установлено тензозвено 15.

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки для проведения исследований шнекового режущего аппарата

При проведении исследований в каждом опыте на валу ШРА определялись:

- Мж - крутящий момент холостого хода;

- М1 - крутящий момент рабочего хода (резания стеблей камыша) без защитного кожуха;

- М2 - крутящий момент рабочего хода (резания стеблей камыша) с защитным кожухом.

Соответственно, мощности Nхх, N1 и ^, затрачиваемые ШРА

на выполнение технологического процесса, рассчитывались по формуле:

N=10 3 Мю,

где ю - угловая скорость ШРА в с-1, которая равна ю=2пп/60.

Во всех испытаниях качество среза определялось визуально, а высота среза - штангенциркулем.

Замеры крутящего момента производились при постоянной скорости, но с изменением угла наклона окашиваемой поверхности 0; 15; 30; 45°. Затем устанавливалась другая скорость, и опыт повторялся в той же последовательности. Поступательные скорости режущего аппарата менялись в следующей последовательности: 0,25; 0,75; 1,25 м/с.

Энергетические показатели, полученные при проведении лабораторных исследований ШРА, сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Данные лабораторных исследований

Показатель Значение показателя

Угол заложения откоса 0

0° 15° 30° 45°

Поступательная скорость РА, м/с (км/ч) 0,25; 0,75; 1,25 (0,9); (2,7); (4,5) 0,25; 0,75; 1,25 (0,9); (2,7); (4,5) 0,25; 0,75; 1,25 (0,9); (2,7); (4,5) 0,25; 0,75; 1,25 (0,9); (2,7); (4,5)

Частота вращения ШРА, мин-1 860 860 860 860

Угловая скорость ШРА, с-1 90,06 90,06 90,06 90,06

Крутящий момент на валу ШРА, Н-м: а) холостой ход, Мхх; б) рабочий ход без защитного кожуха, М1; в) рабочий ход с защитным кожухом, М 2 2,33; 2,33; 2,33 7,56; 9,11; 10,00 13,33; 14,89; 15,78 2,33; 2,33; 2,33 7,46; 9,01; 9,98 13,21; 14,67; 15,48 2,33; 2,33; 2,33 7,33; 8,33; 9,67 13,11; 14,11; 15,24 2,33; 2,33; 2,33 7,67; 9,56; 10,56 13,44; 15,33; 16,33

Мощность, затрачиваемая на привод ШРА, N , кВт/м > хх ' 0,21; 0,21; 0,21 0,21; 0,21; 0,21 0,21; 0,21; 0,21 0,21; 0,21; 0,21

Мощность, затрачиваемая на резание без защитного кожуха, Nl, кВт/м 0,68; 0,82; 0,90 0,67; 0,81; 0,90 0,63; 0,75; 0,86 0,69; 0,86; 0,95

Мощность, затрачиваемая на резание с защитным кожухом, N2, кВт/м 1,20; 1,34; 1,42 1,19; 1,32; 1,39 1,14; 1,26; 1,32 1,21; 1,38; 1,47

В результате обработки данных таблицы 1, полученных в ходе лабораторных исследований, и определена мощность N , расходуемая на ре-

зание стеблей камыша, по формуле:

N = N - N .

рез 1 хх

Мощность ^зтр, расходуемую на измельчение и транспортировку камыша, находим по формуле:

N = N - Ж.

изтр 2 1

Полученные данные сводим в таблицу 2. Таблица 2 - Обработка данных лабораторных исследований

Показатель Значение показателя

Угол заложения откоса 0

0° 15° 30° 45°

Поступательная скорость РА, Ум, м/с, 0,25; 0,75; 1,25 0,25; 0,75; 1,25 0,25; 0,75; 1,25 0,25; 0,75; 1,25

Мощность, затрачиваемая на резание стеблей камыша, N, кВт/м 0,47; 0,61; 0,69 0,46; 0,60; 0,69 0,42; 0,54; 0,65 0,48; 0,65; 0,74

Мощность, затрачиваемая на измельчение и транспортировку камыша, N из^ кВт/м 0,52; 0,52; 0,52 0,52; 0,51; 0,49 0,51; 0,51; 0,46 0,52; 0,52; 0,52

Как видно из данных таблицы 2, мощность N во всех опытах

(независимо от изменения скорости подачи ШРА и угла наклона окашиваемой поверхности) практически не меняется и составляет в среднем 0,51 кВт, поэтому необходимо провести анализ N.

Для того чтобы сделать правильные и объективные выводы, необходимо провести планирование эксперимента. Мы имеем дело с двухфактор-ным экспериментом с единой репликой, т. е. одним наблюдением в ячейке. Такой план уже подробно описан в предыдущей публикации автора [1], поэтому в данной работе будем приводить только результаты расчетов.

Для этого данные по затратам мощности на резание стеблей камыша сведем в таблицу 3 и рассчитаем у^ - сумму всех наблюдений для I -го уровня фактора А, у} -го уровня фактора В.

По данным таблицы 3 найдем значения суммы квадратов , $>$в, . , ££ , ££ , ££ , (распределения Фишера) и сведем в таблицу 4.

общ 5 ост 5 неад 5 ош 5 0 г ^ г / ^ ^^

Результаты дисперсного анализа (ДА) приведены в таблице 4.

Таблица 3 - Расположение данных в двухфакторном эксперименте с единой репликой

Фактор А Фактор В

Угол наклона окашиваемой поверхности 9, град. Скорость подачи РА VM, м/с yt

0,25 0,75 1,25

0 0,47 0,61 0,69 1,77

15 0,46 0,60 0,69 1,75

30 0,42 0,54 0,65 1,61

45 0,48 0,65 0,74 1,87

j 1,83 2,40 2,77 7,00

Таблица 4 - Дисперсный анализ опытных данных

Источник изменчивости Сумма квадратов Степень свободы Средний квадрат F)

Угол наклона окашиваемой 0,0114 3 0,0038 19,0

поверхности SSA

Скорость подачи ££в 0,1121 2 0,0561 280,5

Неаддитивность SSнеад 0,0004 1 0,0004 2,0

Ошибка SSош 0,0006 5 0,0002

Сумма Ж0бщ 0,1245 11

Значимо при 1 проценте.

Для проверки на неаддитивность используется статистика. F0 = 0,0004/0,0002 = 2,0. Так как F0 < Fa;1.[(a_l)(fe_l)_1], т. е. 2,0 < 4,06 [2], делаем вывод, что полученные данные не свидетельствуют о существовании взаимодействия. Главные эффекты - угол наклона окашиваемой поверхности и скорость подачи ШРА - являются значимыми.

Обозначим мощность, затрачиваемую на резание стеблей камыша, как Ырез, скорость подачи ШРА - как VM, угол наклона окашиваемой поверхности - как 0. Данные таблицы 3 занесем в компьютерную программу Statistica (Cassewise MD deletion) и по ним построим графики, получим описание линейных уравнений и численные значения коэффициента корреляции (R).

На рисунке 2 представлен график зависимости мощности, затрачиваемой на срез растений, от угла наклона окашиваемой поверхности, который описывается линейным уравнением:

N ез = 0,573 56+ 0,000360. (1)

Рисунок 2 - График зависимости затрат мощности от угла наклона окашиваемой поверхности

В уравнении (1) при 95%-ном доверительном интервале коэффициент корреляции (R) составляет 0,05855.

На рисунке 3 приведена зависимость скорости подачи ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности, которая описывается линейным уравнением:

V = 0,75000+0,000009. (2)

Рисунок 3 - График зависимости скорости подачи ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности

В уравнении (2) при 95%-ном доверительном интервале коэффициент корреляции (R) составляет 0,00000.

На рисунке 4 построена зависимость затрат мощности (N) на резание растений от поступательной скорости (Ум) ШРА. Эта зависимость представляет прямую линию, которая описывается линейным уравнением:

N = 0,40708+ 0,23500К . (3)

рез ? ? м V /

Рисунок 4 - График зависимости затрат мощности от скорости подачи ШРА

В уравнении (3) при 95%-ном доверительном интервале коэффициент корреляции (R) составляет 0,94201.

Анализ полученных данных на рисунке 2 (линии графика) и уравнения (1), которое имеет низкий коэффициент корреляции, показал, что изменение угла наклона окашиваемой поверхности оказывает незначительное влияние на затраты мощности ШРА. Изменение угла наклона окашиваемой поверхности, как видно из рисунка 3 и уравнения (2), не оказывает никакого влияния на скорость передвижения ШРА. Основное влияние

на рост затрат мощности на резание стеблей камыша оказывает изменение поступательной скорости ШРА, как видно из линии графика на рисунке 4 и уравнения (3), которое имеет высокий коэффициент корреляции.

На первом этапе анализа нашего эксперимента для описания отклика использовали линейную функцию (модель первого порядка). Если истинные результаты экспериментов имеют кривизну, то для описания достоверного отклика требуется модель второго или более высокого порядка. Чаще адекватной аппроксимацией оказывается модель второго порядка [2]:

где в0, вг, в., ви - коэффициенты квадратной модели.

По формуле (4) с использованием данных таблицы 3, программы Statistica 3D Surface Plot строим график поверхности в декартовой системе координат, зависимость скорости передвижения косилки (VM) от затрат мощности (N ) и угла наклона окашиваемой поверхности (0) (рисунок 5), уравнение которой имеет вид:

VM =-0,602+0,34N ез -0,2690-6,137e 4N2 -0,017N0+4,24602. (5)

Рисунок 5 - График зависимости скорости подачи ШРА от затрат мощности и угла наклона окашиваемой поверхности

у=в0 +Ув.х +у в..x.x. +Ув..х2,

У 0 г г г. г j гг г ?

(4)

Для определения характера протекания технологического процесса окашивания в зависимости от того или иного фактора полезно преобразовать модель к новой системе координат с началом в стационарной точке, а затем повернуть оси этой системы так, чтобы они совпали с главными осями подобранной поверхности.

Так, зависимость затрат мощности на резание стеблей (N )

от скорости передвижения ШРА (Ум), угла наклона окашиваемой поверхности (0) представлена на рисунке 6, каноническое уравнение которой имеет вид:

N=0,388-0,006У+0,3650+1,464е-4У2 + 7,111е 4У0-0,102. (6)

Рисунок 6 - График зависимости затрат мощности от скорости подачи ШРА и угла наклона окашиваемой поверхности

Зависимость угла наклона окашиваемой поверхности (0) от скорости передвижения ШРА (Ум) и затрат мощности (N) на резание стеблей камыша представлена на рисунке 7, каноническое уравнение которой имеет вид:

0=983,195+986,388N -4641,38У + 311,698^ -2529,0Ш У +

5 5 рез 5 м 5 рез 5 рез м ¡^т ч

+5675,75У2.

7 м

Рисунок 7 - График зависимости угла наклона окашиваемой поверхности от затрат мощности и скорости подачи ШРА

Конечной целью построения поверхности отклика является определение области изменения факторов и выявление оптимальных рабочих условий в эксперименте. С помощью программы Statistica 3D Contour Plot и уравнений (5), (6) и (7) строим графики контура поверхности отклика: затрат мощности на резание стеблей камыша от угла наклона окашиваемой поверхности (рисунок 8), скорости подачи ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности (рисунок 9), скорости подачи ШРА от затрат мощности на резание (рисунок 10).

Подобранные модели второго порядка в координатных переменных находятся по методу наименьших квадратов, для этих моделей представлены в таблице 4. Неаддитивность моделей не является значимой, а регрессия значима, поэтому считаем, что подобранные модели адекватно описывают истинную поверхность.

Рисунок 8 - Контур поверхности отклика зависимости затрат мощности ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности

ч

м/с 1.4

1,2

1,0

0,8

ал 0,2 0,0

41

* / * / ' / / \ * \

/ у' \ ъ \

/ \ ч \

/ \ \ 1

X \ Ч N

\

\ \

—ъ.

15 35

35 45 55 £ гр;зд

Рисунок 9 - Контур поверхности отклика зависимости скорости подачи ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности

Рисунок 10 - Контур поверхности отклика зависимости затрат мощности от скорости подачи ШРА

На графике контура поверхности отклика зависимости скорости подачи ШРА от угла наклона окашиваемой поверхности (рисунок 9) среднее значение скорости приходится на середину диапазона угла наклона окашиваемой поверхности, что подтверждает оптимальное сочетание угла подъема винтовой линии шнека и угла заточки ножей, т. е. правильно подобраны геометрические параметры. Эти выводы подтверждаются графиком на рисунке 8, из которого видно, что минимальные затраты мощности также приходятся на середину диапазона угла наклона окашиваемой поверхности. Из этого следует, что ШРА можно отнести к аппаратам скользящего резания, в которых большую роль играет кинематическая трансформация угла заточки ножей, осуществляющая перенос части сил трения с нормального (Рп) на тангенциальное (Рг) усилие резания [3].

Также подтверждаются сделанные выше выводы о том, что основное влияние на рост затрат мощности на резание стеблей камыша оказывает изменение поступательной скорости ШРА, что наглядно видно из рисунка 10.

При проведении лабораторных исследований зафиксированные максимальные затраты мощности составили 1,47 кВт/м (таблица 1), и это при

том, что густота стояния стеблей камыша имитировалась в размере

2 2 144 шт./м [1], а в реальных условиях она доходит до 1300 шт./м [4]. Исходя из этих условий, произведем несложный расчет для определения энергоемкости косилки (в кВт):

N = 1300/144 • N2 L = 1300/144 • 1,47 • 1,8 = 23,8877, где L - ширина захвата ШРА натуральной величины, м.

По результату расчета делаем заключение о том, что трактор класса 1,4 тс в агрегате с косилкой, оснащенной шнековым режущим аппаратом, будет обеспечивать устойчивое выполнение технологического процесса. При этом загрузка двигателя (мощностью 59 кВт) трактора при агрегатировании с косилкой составит 41 %.

Список использованных источников

1 Погоров, Т. А. Экспериментальное обоснование параметров шнекового режущего аппарата мелиоративной косилки [Электронный ресурс] / Т. А. Погоров // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. - № 1(13). - 17 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=226&id=249.

2 Монтгомери, Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных / Д. К. Монтгомери. - Л.: Судостроение, 1980. - 383 с.

3 Резник, Н. Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов / Н. Е. Резник. - М.: Машиностроение, 1975. - 312 с.

4 Погоров, Т. А. Крепление откосов каналов посевом трав с защитным слоем из растительных остатков / Т. А. Погоров // Мелиорация и водное хозяйство. - 2010. -№ 3. - С. 21-22._

Погоров Туган Ахметович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Российский научно исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация. Контактный телефон: +7 928 166-45-56. E-mail: rosniipm@yandex.ru

Pogorov Tugan Akhmetovich - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation.

Contact telephone number: +7 928 166-45-56. E-mail: rosniipm@yandex.ru