CC BY
50
УДК 631.317
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА РОТОРА ФРЕЗЫ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
Method of Determining Torque of the Rotor Cutters with a Vertical Axis of Rotation
Блохин B.H., к.т.н., доцент Орехова Г.В., к.с-х.н. [email protected] Случевский A.M., Климович Р.А., инженеры Blokhin V.N., Orekhova G.V, Sluchevsky A.M., Klimovich R.A.
ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» Bryansk State Agrarian University
Реферат. Процессам обработки фрезами с вертикальной осью вращения занимались А.Д. Да-лин, П.В. Павлов, И.С. Полтавцев, В.И. Порфирюк, С.В. Чудак и др., которые теоретически и экспериментальным путем определили ряд кинематических параметров L-образного ножа с отогнутыми лезвиями, а также установили ряд важных зависимостей: определена сила резания почвы F, крутящий момент на валу M^p, тяговое сопротивление и расход мощности на резание и рыхление. Сложность определения этих параметров заключается в том, что угол раствора у (угол между режущими кромками подрезающего лезвия) является величиной постоянной. Введя величину Ду изменения угла раствора за один цикл была получена математическая модель подсчета крутящего момента, благодаря которой можно еще производить оптимизацию геометрических параметров рабочего органа, которая сказывается на затратах энергии при обработке почвы.
Summary. A.D. Dalin, P.V. Pavlov, S.I. Poltavtsev, V.I. Porfiryuk, S.V. Chudak and others, studying the process of milling with vertical axis of rotation, theoretically and experimentally determined the number of kinematic parameters of the L-shaped knife with bent blades, and established a number of basic relationships: the cutting force of the soil F, the drive torque M*p, tractive resistance and power demand for cutting and loosening. The complexity of determining these parameters is that the angle у (the angle between the cutting edges of the trimming blade) is a constant. By entering the parameter Ay of the angle change per one cycle, the mathematical model of torque calculation was obtained. Besides, using the model, one can optimize the geometric parameters of the working body, which affects the energy consumption at the soil treatment.
Ключевые слова: фреза с вертикальной осью вращения, энергоемкость фрезерования почвы, рабочий активный орган, кинематические параметры, комбинированный нож.
Keywords: milling cutter with a vertical rotation axis, the energy intensity of soil milling, active working body, kinematic parameters, combo knife.
Первыми исследователями процессов обработки почвы фрезами с вертикальной осью вращения и их рабочих органов в нашей стране были А.Д. Далин [1], П.В. Павлов [2], И.С. Полтавцев [3]. Они установили ряд важных зависимостей:
- влияние скорости резания на затраты мощности при фрезеровании;
-уменьшение энергоемкости процесса фрезерования при увеличении подачи на нож фрезы;
- расход мощности на резание почвы и ее отбрасывание.
Процесс фрезерования почвы на глубину до 20 см рабочими органами вертикально-роторной машины изучал В.И. Порфирюк [4].
Им была установлена зависимость крутящего момента и тягового сопротивления от режимных параметров, обеспечивающих необходимую степень рыхления почвы; получены оптимальные геометрические параметры исследуемых ножей.
С.В. Чудак [5] исследовал процесс обработки почвы вертикально-фрезерным культиватором в междурядьях виноградника на глубину до 12 см. Им установлено, что фрезы с вертикальной осью вращения имеют малое тяговое сопротивление по сравнению с пассивными рабочими органами, что позволяет конструировать ассиметричные агрегаты для высокостебельных культур. В его работе определены экспериментальным путем оптимальные кинематические параметры L- образного ножа с наружно-отогнутым лезвием (рис. 1), а также теоретически определена сила резания почвы F, крутящий момент на валу Мкр, тяговое сопротивление и мощность.
На основе анализа и обобщения результатов научных исследований и достижений в области
обработки почвогрунтов активными рабочими органами были намечены пути и средства снижения энергозатрат на процесс обработки почвы и повышения его качества [6, 7].
С точки зрения общих затрат энергии пассивные рабочие органы более предпочтительны [8]. Однако, при определенных условиях, энергоемкость активных рабочих органов может быть на уровне и даже ниже энергоемкости пассивных рабочих органов, а качество обработки почвы - лучше.
В качестве одного из путей снижения энергоемкости фрез является оптимизация угла установки рабочих органов [9].
При междурядной обработке поверхности почвы в основном применяются Ь— образные, тарельчатые и стрельчатые лапы.
Исследования кинематических параметров комбинированных ножей [10, 11, 12] и пассивного рабочего органа позволили сделать вывод, что для качественной обработки почвы и уменьшения энергии на фрезерование необходимо, чтобы рабочий орган фрезы не сминал стенку борозды своей боковой поверхностью, а стойка ножа — тыльной стороной.
Рисунок 1
р,„ I Р
I кр
Рисунок 2
Существенное влияние на энергоемкость фрезы оказывает форма ее ножей.
Очевидно, что в качестве одного из путей снижения энергоемкости вертикальных фрез, является уменьшение толщины стойки ножа и его подрезающего лезвия до определенного предела, чтобы не снизить надежность и прочность элементов рабочего органа. Рабочий орган, отвечающий этим требованиям, изображен на рис. 2, у которого ширина захвата В равна ширине захвата Ь—образного ножа. Крутящий Мкр и изгибающий моменты Миз относительно оси, проходящей через стойку, значительно меньше по сравнению с Ь—образным ножом.
Действительно, у Ь—образного ножа изгибающий момент Мт относительно оси пп равен произведению суммарной изгибающей силы Риз на длину отогнутого лезвия I
М = Р
11 из 1 из
I,
а крутящий момент Мкр равен произведению суммарной крутящей силы Ркр (сила сопротивления) на длину I отогнутого лезвия
М = Р -I
' ^кр 1 кр
Для рабочего органа вертикальной фрезы, изображенной на рис. 2, соответственно, изгибающий и крутящий моменты равны
I
I
М = Р ■ - М = Р ■-
' 'из 1 ИЗ 2 ' кр 1 кр 2'
Рассмотрим, как меняется в процессе работы ножа крутящий момент, действующий на отогнутые лезвия (рис. 3)
Абсолютная скорость (скорость резания) точки ножа, лежащей на режущей кромке, согласно А.Д. Далину, имеет вид
Vp = VnV 1 +Л2 + 2 Л с о s о) t, (1)
у
где Л = — >1 - кинематический показатель,
характеризующий кривизну циклоиды;
V0 - окружная скорость точки ротора; V - поступательная скорость агрегата;о - угловая скорость вращения ротора.
У пассивных рабочих органов и фрез с горизонтальной осью вращения угол раствора у соответствует углу между направлением движения агрегата и линией, проходящей через лезвие ножа. Этот угол при условии динамической симметрии машины является величиной постоянной. У фрез с вертикальной осью вращения этот угол определяется касательной к циклоиде в данной точки лезвием ножа и, следовательно, является величиной переменной. Величина изменения угла раствора за один цикл характеризуется углом Ау (рис. 3), который образуется между касательными к окружности и циклоиде в данной точке. Он определяется по следующей формуле
siníot
Д у = tan --
А + cos (jút
Рисунок 3 - Действие силы сопротивления на подрезающее лезвие ножа п
г Рассмотрим сопротивление почвы движению
рабочего органа. Движущийся в почве нож вертикальной фрезы преодолевает общее сопротивление Р и согласно [10] равно
h
I sin у + j cot fo cot ip Th sine«! + 2<p) cos <p cos p(--фр-+ 2 ■ цг )
P =-7-о л ■ ,-n-77R-— + sikil + S2k2h
cos( <p - ft) sin^ + ft + (p + V) 11 22
, 2n ■ , ftcotfv hYiVjf (Z sin у +-я—L)
+---.
g sin1/7
Из рис. 3 видно, что крутящий момент силы P, действующей на произвольную точку М, лежащей на лезвии ножа, относительно точки О равен
т0 = Р ■ cos <7 ■ ОЕ.
Ho действие силы Росуществляется на всей длине лезвия, поэтому суммарный крутящий момент сил сопротивления относительно точки О будет
MqP = /0 Р ■ ОЕ ■ с о s а ■ dx, (2)
где 0 <x<l.
Таким образом, получена математическая модель (2, по которой можно определять крутящий момент ротора.
Все величины, входящие в (2), выразим через переменную x. Из рис. 3 видно, что < + а + у = ^; откуда а = ^—< — у = с о ns í . Величина а от x не зависит, < - угол трения грунта по металлу и у -
угол раствора ножа - величины заданные.
Выразим ОЕ через x. Принимаем TM=x, тогда RM=l - x;
ОЕ = (Z — х) sin у.
Сила сопротивления Р также зависит от переменной х.
Выразим Р через х. Для этого определим кинематический показатель X, V^2 и радиус вращения SM=r(x). Примем OS = r. Так как
г (х) = V (г + (I — х) s in у) 2 + х2 с о s2 у, то V0 SM ■ cü r(x) ■ CÜ
A = v~ = ~~ = ~v—
Л = — V (г + ( I — х) s in у) 2 + х2 со s2 у, (3) Подставив (3) в (1) и возведя обе части в квадрат, получим
V2 = V2 {1 + frjŒr + (í — x) s in y]2 + x2 с о s2 7) + — ^[r + (í — x) s in y]2 + x2 со s2 7 ■ с о s o t} 'n 'n J
Так как сила сопротивления Р есть функция от V2, т е- P=P(Vp ) , т0 значение интеграла принимает вид после подстановки в него значений Р, ОЕ, с о s а:
MqP = /огР( V2) ( í — x) s i n7 ■ с о sadx (4)
Подставляя значения параметров в (4), можно определить крутящий момент лезвий ножа относительно оси 001.
В работах C.B. Чудака [5] экспериментальным путем определена часть оптимальных кинематических параметров L-образного ножа, а другая часть определена теоретическими исследованиями.
Для аналитического подсчета крутящего момента лезвий рабочего органа C.B. Чудаком рекомендованы следующие параметры: т =0,012 МПа; а1 = 10°; ф=25°; р = 35°, у = 50°; р1 = 5°; ¿1=0,00065 м; 02 = 0,0013 м; К=1.37МПа; К2 = 0,58 МПа; у = 50°; ^ = 30°; œ = 11,3 с'1; Vn = 1,5 м/c; l = 0.08м; h = 0.08м; R = 0.25м; r = 0.19м, где R = TS, r = OS.
Значение y1 объемной массы почвы подсчитывается согласно размерам рабочего органа и плотности почвы.
Для решения интеграла (4) необходимо получить подынтегральную функцию, зависящую только от переменной x.
Подсчитаем крутящий момент M qP для комбинированного рабочего органа, изображенного на рис. 2.
Пусть рабочий орган при длине режущей кромки лезвия l= 0.08 м, имея угловую скорость ш = 11,3 с'1, совершает один оборот за время Т = 0,56 с. Разбив время одного оборота ножа Т на интервалы t = 0.05 с и подсчитав значение крутящего момента в каждый момент времени, находим среднее значение крутящего момента MqP за один оборот ножа. Для внешнего лезвия, которое находится дальше от оси вращения ротора, средний крутящий момент относительно оси 001 равен:
MqP = 0, 6 8 Нм
Аналогично, для внутреннего лезвия, которое находится ближе к оси вращения ротора, среднее значение крутящего момента относительно той же оси 001 равно:
M' 0P = 0 , 8 3 Нм.
Итак, на стойку рабочего органа со стороны отогнутых лезвий действуют разные по величине крутящие моменты
M7 > М0кр
Уравнять крутящие моменты можно за счет изменения параметров, входящих в равенство (4).
Лучше всего это сделать за счет изменения длин лезвий у внешнего и внутреннего лезвия. Методом последовательных приближений увеличивали длину внешнего и уменьшали, соответственно, длину внутреннего лезвия до тех пор, пока крутящие моменты по абсолютной величине не стали одинаковыми. Итак, крутящие моменты лезвий относительно стойки имеют противоположные направления, но равны по величине. Это дает возможность разгрузить стойку рабочего органа, а значит уменьшить ее толщину, что в конечном итоге ведет к уменьшению энергозатрат. Поскольку в процессе оптимизации длина внешнего лезвия увеличилась, а внутреннего - уменьшалась, это привело к тому, что расстояние от оси вращения ротора до стойки уменьшалось. Диаметр ротора и ширина захвата ножа при этом не изменялась. А уменьшение расстояния от стойки рабочего органа до оси вращения при прочих равных условиях ведет к уменьшению энергозатрат. Согласно выше принятым параметрам, предложенным C.B. Чудаком, длина внешнего лезвия должна быть 9 см, а внутреннего 7 см (рис.3).
Этот вывод подтверждается патентом на полезную модель [11].
Анализ динамики воздействия рабочего органа с почвой, у которого внешнее отогнутое лезвие по сравнению с внутренним находится сзади, показал, что крутящий момент внешнего лезвия относительно точки О равен 0,83 Нм, а внутреннего - 1 Нм. Следовательно, такой рабочий орган более энергоемкий.
Библиографический список
1. Далин А.Д. Обоснование форм рабочих органов ротационных почвообрабатывающих машин: докт. диссертация. М., 1941.
2. Далин А.Д., Павлов П.В. Ротационные грунтообрабатывающие машины. М.: Машгиз, 1950. 258 с.
3. Полтавцев И.С. Фрезерный канавокопатели. Киев: Машгиз, 1952. 132 с.
4. Порфирюк В.И. Исследование технологического процесса работы рыхлящих органов для междурядной обработки орошаемых виноградников на каменистых почвах средней зоны. Таджикистан: автореф. дис. ... на соиск. ученой степ. канд. техн. наук. Ташкент, 1969.
5. Чудак C.B. Исследование и разработка вертикальной фрезы для поверхностной обработки почвы в виноградниках: дис. ... на соиск. ученой степ. канд. техн. наук. Кишинев, 1975. (Кишиневский сельскохозяйственный институт им. М.В. Фрунзе).
6. Панов ИМ., Ветохин В.И. Физические основы механики почв: монография. К.: Феникс, 2008. 266 с.
I. Тягово-приводные комбинированные почвообрабатывающие машины / В.И. Ветохин, ИМ. Панов, В.А. Шмонин, В.А. Юзбашев: монография. К.: Феникс, 2009. 264 с.
8. Чудак C.B. Исследование фрезы с вертикальным валом вращения // Механизация работ в виноградарстве и садоводстве. Кишинев, 1979. С. 159-1l4.
9. Разум М.И. К определению угла установки ножей фрезы с вертикальной осью вращения // Садоводство. Киев: Урожай, 1974. С. 109-118.
10. Блохин В.Н. Исследование процесса и рабочего органа для ухода за межкустовой зоной на ягодниках: дис. ... на соиск. ученой степ. канд. технич. наук М.: Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства, 1993.
II. Рабочий орган почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения. Блохин В.Н., Никитин В.В.: пат. на полезную модель RUS 150ll6 08.0l.2014.
12. Рабочий орган почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения. Блохин В.Н., Белоус Н.М., Никитин В.В., Сазонов Ф.Ф.: пат. на полезную модель RUS № 166354 07.04.2016.
13. Шмидов Д.В., Лабух В.М. Машины для измельчения и заделки сидератов в почву // Вестник БГСХА. 2014. № 3.
References
1. Dalin A.D. Obosnovanie form rabochikh organov rotatsionnykh pochvoobrabatyvayushchikh mashin: doktorskaya dissertatsiya. M., 1941.
2. Dalin A.D., Pavlov P.V. Rotatsionnye gruntoobrabatyvayushchie mashiny. M.: Mashgiz, 1950. 258 s.
3. Poltavtsev I.S. Frezernyy kanavokopateli. Kiev: Mashgiz, 1952. 132 s.
4. Porfiryuk V.I. Issledovanie tekhnologicheskogo protsessa raboty rykhlyashchikh organov dlya
mezhduryadnoy obrabotki oroshaemykh vinogradnikov na kamenistykh pochvakh sredney zony. Tadzhiki-stan: avtoref. dis. ... na soisk. uchenoy step. kand. tekhn. nauk. Tashkent, 1969.
5. Chudak S.V. Issledovanie i razrabotka vertikal'noy frezy dlya poverkhnostnoy obrabotki pochvy v vinogradnikakh: dis. ... na soisk. uchenoy step. kand. tekhn. nauk. Kishinev, 1975 (Kishinevskiy sel'skokho-zyaystvennyy institut im. M.V. Frunze).
6. Panov I.M., Vetokhin V.I. Fizicheskie osnovy mekhaniki pochv: monografiya. K.: Feniks, 2008. 266 s.
7. Tyagovo-privodnye kombinirovannye pochvoobrabatyvayushchie mashiny / V.I. Vetokhin, I.M. Panov, V.A. Shmonin, V.A. Yuzbashev: monografiya. K.: Feniks, 2009. 264 s.
8. Chudak S.V. Issledovanie frezy s vertikal'nym valom vrashcheniya // Mekhanizatsiya rabot v vinogradarstve i sadovodstve. Kishinev, 1979. S. 159-174.
9. Razum M.I. K opredeleniyu ugla ustanovki nozhey frezy s vertikal'noy os'yu vrashcheniya // Sado-vodstvo. Kiev: Urozhay, 1974. S. 109-118.
10. Blokhin V.N. Issledovanie protsessa i rabochego organa dlya ukhoda za mezhkustovoy zonoy na yagodnikakh: dis. ... na soisk. uchenoy step. kand. tekhnich. nauk M.: Vserossiyskiy selektsionno-tekhnologicheskiy institut sadovodstva i pitomnikovodstva, 1993.
11. Rabochiy organ pochvoobrabatyvayushchey frezy s vertikal'noy os'yu vrashcheniya. Blokhin V.N., Nikitin V.V.: pat. na poleznuyu model' RUS150776 08.07.2014.
12. Rabochiy organ pochvoobrabatyvayushchey frezy s vertikal'noy os'yu vrashcheniya. Blokhin V.N., Belous N.M., Nikitin V.V., Sazonov F.F.: pat. na poleznuyu model' RUS № 166354 07.04.2016.
13. Shmidov D.V., Labukh V.M. Mashiny dlya izmel'cheniya i zadelki sideratov v pochvu // Vestnik BGSKhA. 2014. № 3.
УДК 620.178.1
К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ КРИВИЗНЫ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ЕЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
To the Question of the Influence of the Working Surface Curvature on its Durability
Случевский A.M., Кравцова Л.П., Климович P.A., инженеры
Орехова Г.В., к.с.-х.н., [email protected] Sluchevsky, A. M., Kravtsova L. P., Klimovich R.A., Orekhova G.V.
ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» Bryansk State Agrarian University
Реферат. Представлены теоретические исследования влияния геометрических параметров рабочих поверхностей деталей на их износостойкость. Рассмотрены вопросы увеличения долговечности деталей путем изменения их конфигурации и технологических параметров. Теоретически обоснованы закономерности изменения относительной скорости VomH от кривизны k рабочей поверхности
1
детали. Определено влияние кривизны k (или радиус кривизны р = -) рабочей поверхности на инК.
тенсивность износа. Выявлены рабочие поверхности деталей работающих в почве, имеющие минимальный износ.
Summary. Theoretical researches of the influence of geometrical parameters of working surfaces on their durability are given. The questions of durability increase by changing their configuration and parameters are considered. The mechanism of changes of the relative velocity Vrel depending on the curvature of the
working surface k is theoretically substantiated. The effect of the curvature k (or the radius of curvature i
р = -) of the working surface on the wear intensity is determined. The working surfaces of the parts with minimal wear in the soil are identified.
Ключевые слова: износостойкость, рабочая поверхность, средняя кривизна, средний радиус кривизны, плоские кривые.
Keywords: durability, working surface, mean curvature, mean radius of curvature, flat curves.
При разработке сельскохозяйственной техники, в том числе и почвообрабатывающих машин, достаточно важным является вопрос об изготовлении высокоресурсных почворежущих рабочих органов и деталей, способных сохранять долговечность и безотказность, быть конкурентноспособными по стоимости.
