CC BY
141
Использование вибрации в почвообрабатывающих машинах
С.Н. Дроздов, соискатель, Оренбургский ГАУ
Переход отечественного сельхозтоваропроизводителя на более высокий производственный уровень подразумевает пересмотр проблем снижения энерготрудозатрат, повышения качества выполняемых технологических операций, эффективности применения современной сельскохозяйственной техники [1].
Одними из наиболее перспективных направлений по снижению энерготрудозатрат являются применение ресурсосберегающих технологий с использованием комбинированных машин и комплексов, увеличение производительности сельскохозяйственных агрегатов за счет оптимизации конструктивно-режимных параметров используемых орудий.
Однако в последнее время чаще всего используются широкозахватные почвообрабатывающие машины. Это значительно повышает производительность работ и снижает затраты на производство сельхозпродукции. Конструкции орудий на протяжении многих десятилетий подвергались незначительным изменениям. При совершенствовании машин основной упор делался на качество обработки и снижение их тягового сопротивления. Качество обработки зависит от конструкции рабочего органа и настроек орудия. В этом направлении конструкторы добились определённых успехов. Однако не решены проблемы снижения тягового сопротивления.
Анализ научных трудов В.П. Горячкина, В.И. Виноградова, М.Д. Подскребко, Ю.В. Познякова, А.С. Путрина, Г.Н. Синеокова [2, 3] показал, что добиться снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин можно несколькими способами:
— совершенствованием конструкции орудия и снижением его веса;
— совершенствованием геометрии рабочих органов;
— снижением сил трения почвы о поверхности рабочих органов (заменой поверхности скольжения поверхностью качения; вводом в пограничный слой «почва — рабочая поверхность» газа или жидкости; колебания рабочих органов).
Подобные решения, несомненно, дают положительный эффект, но они не лишены ряда существенных недостатков.
Поэтому главенствующей задачей совершенствования почвообрабатывающих машин, в том числе комбинированных, является снижение их тягового сопротивления без значительного
усложнения конструкции, например, использование возмущающих сил вибрации.
Материалы и методы. Разработкой методики применения возбудителей колебаний на машинах сельскохозяйственного назначения занимались В.П. Горячкин, И.М. Бурмин, А.А. Дубровский, И.И. Быховский, М.М. Крылов, В.И. Цветников [4—7]. Было предложено много различных конструкций, но все они основаны на принципе вибрации каждого рабочего органа в отдельности, что усложняет конструкцию. Также можно указать низкую эффективность рыхления почвы рабочими органами из-за различных свойств почвы по ширине почвообрабатывающей машины и невозможность регулирования величины возмущающей силы по направлению.
Для снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин мы предлагаем применить более эффективный способ, основанный на использовании колебательного контура в виде маятникового вибратора направленного действия, который будет монтироваться на раму почвообрабатывающей машины [8]. Причём устройство должно располагаться в центре тяжести почвообрабатывающего орудия, для исключения неравномерности глубины обработки (рис. 1).
Результаты и обсуждение. Почвообрабатывающая машина действует следующим образом.
При работе трактора с почвообрабатывающим орудием на лёгких почвах, когда тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия небольшое, маятниковый вибратор направленного действия 3, размещённый на раме в центре тяжести машины, установлен в вертикальное положение (рис. 1, а). Тракторист включает вал отбора мощности или гидромотор, крутящий момент от которого через карданную передачу 4 передаётся на маятниковый вибратор направленного действия 3. За счёт вращения дебалансов 9 возникает возмущающая сила Р. Почвообрабатывающее орудие вместе с рабочими органами будет совершать вертикальные колебания, тем самым периодически уменьшать или увеличивать вес орудия G. Одновременно с этим за счёт вибрации перед рабочим органом 2 предварительно будет разрыхляться почва, тем самым снижая тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия РТ.
При работе на тяжёлых почвах значительно возрастает тяговое сопротивление РТ почвообрабатывающего орудия.Управляя гидроцилиндром 6, тракторист с помощью гидросистемы трактора воздействует на маятниковый вибратор 3 и та-
Рис. 1 - Почвообрабатывающая машина:
а - с маятниковым вибратором в вертикальном положении; б - с маятниковым вибратором, расположенным под углом б к горизонту
ким образом поворачивает его на необходимый угол б по ходу движения почвообрабатывающего агрегата (рис. 1, б). Как показали расчёты, максимальный угол поворота маятникового вибратора для получения максимальной величины возмущающей силы Р на горизонтальной поверхности, составляет 45°. В этом случае возмущающая сила Р будет приложена к центру шарнирной оси 7 маятникового вибратора 3 и разложится на горизонтальную РХ и вертикальную Ру составляющие.
При положении дебалансов 9 (рис. 2, а) вертикальная составляющая Ру уменьшает вес орудия О, а горизонтальная составляющая РХ помогает движущей силе трактора перемещать орудие вперёд. Таким образом, уменьшается тяговое сопротивление орудия Рт. При другом положении дебалансов (рис. 2, б) вертикальная составляющая Ру увеличивает вес трактора О, а величины горизонтальной составляющей РХуже недостаточно для перемещения орудия назад.
Рис. 2 - Маятниковый вибратор направленного действия при различных положениях дебалансов
Выводы и заключение. На основании теоретических и экспериментальных исследований установили, что только механические инерционные возбудители имеют возможность создать направленные колебания, которые в достаточной степени регулируемы и практически независимы от условий внешней среды [1, 6, 9].
Теоретические расчёты показывают, что существенного снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин с вибрационным элементом до 26% можно достичь на тяжёлых почвах. Однако возникает другая проблема, связанная с большой шириной почвообрабатывающего орудия. Кроме установки колебательных контуров на раму машины на одинаковом расстоянии друг от друга необходимо добиться жёсткости конструкции в целом. При большом расстоянии между дебалансами в процессе работы некоторые участки рамы от действия возмущающей силы Р будут деформироваться, а также испытывать вибрационные нагрузки. Это может негативно повлиять на агротехнические показатели. Также необходимо осуществить синхронизацию работы дебалансов.
В настоящее время зависимость влияния указанных параметров на качество и энергоёмкость процесса обработки почвы исследована в недостаточной степени и требует более детального рассмотрения. Проведение экспериментов позволяет объективно говорить о перспективах использования почвообрабатывающих машин с вибрационным элементом.
Исследования по использованию гармонических колебаний в теории почвообрабатывающих орудий являются достаточно актуальными, а создание машины для обработки почвы с колебательным контуром и обоснование её оптимальных параметров имеет важное народнохозяйственное значение.
Предлагаемая конструкция почвообрабатывающей машины с вибрационным элементом позволяет создавать колебания направленного действия и снизить тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины на 9—12%, тем самым уменьшить энергозатраты на обработку почвы.
Литература
1. Зиангиров И.Р., Баширов P.M. Ресурсосбережение на полевых механизированных работах // Молодежная наука в АПК: проблемыи перспективы: матер, науч.-практич. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Уфа: БГАУ, 2005. С. 140—l4l.
2. Путрин A.C. Методология структурного анализа системы «состояние почвы — конструктивно-технологические параметры рабочего органа» // Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Т. 3. Оренбург: Йзд. центр ОГАУ, 1999.
3. Синеоков Г.И. Проектирование почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1965.
4. Бурмин И.М. Исследование оптимальных режимов вибрации почвоуглубителей // Состояние и перспективы развития
почвообрабатывающих машин, фрез и культиваторов: материалы НТС ВИСХОМ. Вып.'25. М., 1968.
5. Горячкин В.П. Собрание сочинений. Т. 2. М.: Колос, 1968. 480 с.
6. Дубровский А.А. Вибрационная техника в сельском хозяйстве. М.: Машиностроение, 1968.
7. Цветников В.И. Исследование влияния вынужденной вибрации плуга на расход мощности при вспашке: автореф. дис. ... канд. техн. наук. JL, 1953.
8. Патент № 2415526 РФ. Почвообрабатывающий агрегат / М.М. Константинов, Д.П. Юхин, С.Н. Дроздов; опубл. 10.04.2011, бюл. № 10.
9. Коган А.Б., Швейкин А.П. Исследование плуга с вибрирующими долотами. В кн.: Состояние и перспективы развития почвообрабатывающих машин, фрез и культиваторов: материалы НТС ВИСХОМ. Вып. 25. М., 1968. С, 157-161.
