CC BY
25
УДК 631.316:630*231.331
ПОВЫШЕНИЕ ЗАГЛУБЛЯЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДИСКОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПУТЕМ ИХ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВИБРАЦИИ
В.И. Посметьев, А.И. Третьяков
ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Рассмотрены способы заглубления почвообрабатывающих орудий в почву. Предложен энергосберегающий способ вибрационного удержания дисковых рабочих органов на заданной глубине обработки.
Ключевые слова: почвообрабатывающее орудие, дисковый рабочий орган, заглубляющая способность, энергосберегающий способ вибрационного удержания, глубина обработки.
При работе на нераскорчеванных вырубках наиболее энергозатратной операцией является агротехнический уход. Сложность проведения уходов состоит в том, что лесокультурные площади насыщены труд-ноперерезаемыми корнями, почва сильно задернелая, а в процессе передвижения лесных почвообрабатывающих агрегатов (ЛПА) неизбежны наезды на препятствия. Так, по данным источника [1] на вырубках на глубине до 30 см находится 20...50 % корней, причем на глубине до 20 см -80.90 %, а количество пней на 1 га составляет соответственно в таежной зоне европейской части страны: 600-800 пней - 45 %; в зоне смешанных лесов 400-600 пней -50 %; в зоне европейского севера 800 пней - 80 %. Для ухода за лесными культурами в таких специфических условиях используют серийно выпускаемый навесной лесной дисковый культиватор КЛБ-1,7. Однако он и другие дисковые почвообрабатывающие орудия имеют низкую заглубляющую способность, а так же неустойчивы по глубине хода, что существенно снижает качество обработки почвы. Указанной проблеме исследователями уделяется большое внима-
ние, и она все еще остается актуальной.
В настоящее время используются три основных способа, позволяющих повысить заглубляющую способность дисковых рабочих органов и стабильно удерживать их на заданной глубине обработки почвы. Первый способ - управление мгновенным центром вращения (МЦВ). МЦВ системы есть мнимая точка пересечения направлений верхней и нижней тяг в вертикальной плоскости. МЦВ в рабочем положении должен лежать в зоне, ограниченной условным углом тяги А (рис. 1а).
Для колесных тракторов классов от 0,6 до 2,0 т условный угол тяги А=11°. Линия, проходящая из точки О под углом А=11°, является границей зоны, ниже которой должен находиться МЦВ навесного устройства в рабочем положении агрегата. В случае расположения МЦВ выше этой зоны может быть не обеспечено заглубление орудия и его устойчивый ход по глубине. В горизонтальном направлении зона расположения МЦВ ограничивается вертикалями, отстоящими от оси ведущего колеса на расстоянии 0,5 Ь и 1,25 Ь, где Ь - база
трактора (оптимальным является расположение МЦВ по середине базы трактора). В этом случае угловые колебания остова трактора, возникающие при преодолении неровностей рельефа поля, приводят к наименьшим угловым колебаниям орудия и, следовательно, к большему постоянству глубины обработки почвы [2]. Регулирование положения МЦВ достигается при помощи муфт, укорачивающих и удлиняющих тяги навесного механизма. Недостатками управляемой системы МЦВ являются то, что данный механизм требует достаточно точной регулировки для конкретного орудия и слабо влияет на изменение глубины обработки. Параметры и присоедительные размеры навесных механизмов закладываются при проектировании, и рассчитываются на усредненные условия эксплуатации навесных почвообрабатывающих орудий.
Второй способ заглубления дисковых рабочих органов основан на использовании утяжелителей в виде балластных ящиков, который рекомендуется производителями навесных дисковых почвообрабатывающих орудий (рис. 1б). Данный способ имеет ряд недостатков:
- существенное увеличение металлоемкости и массы ЛПА, что приводит к дополнительным динамическим нагрузкам и перерасходу топлива;
- использование балластных ящиков в эксплуатации неудобно, так как плотность и задернелость почвы значительно меняется, даже в пределах одного участка, что затрудняет возможность регулирования глубины обработки изменением массы балласта.
Третий способ - позиционно-силовое
регулирование глубины хода рабочих органов или система с универсальным регулятором навесного механизма (УРН). Применение силового и позиционного способов регулирования положения орудия относительно трактора позволяют автоматически регулировать глубину обработки почвы.
Типовая схема навесной системы трактора с УРН приведена на рис. 1, в [3]. Реализация силового регулирования основывается на том, что тяговое сопротивление навесного механизма меняется с изменением глубины обработки. Изменение тягового сопротивления навески трактора передается через верхнюю тягу на пружину силового датчика 17. Деформация пружины датчика через систему рычагов передаются силовому регулятору 14, который управляет силовым цилиндром навесного механизма и поднимает или опускает его звенья 13, устанавливая заданную глубину обработки.
Силовое регулирование используют при неровном рельефе обрабатываемой поверхности, а позиционное на ровных территориях.
При позиционном регулировании глубины обработки почвы, система работает, как и при силовом, но сигнал на регулятор УРН передает тяга позиционного датчика 15, которая соединена шарниром с штоковым рычагом гидроцилиндра. Функционирование позиционного датчика основано на изменении положения рычага силового цилиндра. Изменение глубины обработки почвы вызывает изменение положения навески, следовательно, и рычага позиционного датчика. Позиционный датчик передает сигнал на УРН 14, который
стабилизирует глубину обработки.
а
б
1 - звенья навесного механизма трактора; 2 - пружина амортизатора; 3 -балластный ящик; 4 - диск; 5, 8 - насосы НШ-32, 6 - фильтр, 7 - гидробак; 9, 18 - напорные гидромагистрали; 10 -гидрораспределитель; 11 - сливная магистраль; 12 - трубопровод; 13 -силовой гидроцилиндр; 14 - универсальный регулятор навесной системы; 15 - позиционный датчик; 16 -рукоятка регулятора; 17 - силовой датчик
Рис. 1. Способы заглубления дисковых рабочих органов в почву при помощи: а - управления положением МЦВ; б - изменения массы балластных ящиков; в - позиционно-силовым регулированием
Недостаток позиционно-силового регулирования заключается в сложности системы и ее достаточно высокой стоимости.
Авторами предлагается использовать более перспективный способ повышения заглубляемости и стабильности хода дисковых рабочих органов на заданной глуби-
не обработки почвы, достигаемый за счет использования принудительного вибрационного воздействия.
Применению виброэффекта при резании и обработке почвы лесными почвообрабатывающими орудиями посвящены работы ряда исследователей. Так, Найни-сом В.К. проводились исследования по
вибрированию черенкового ножа кустар-никово-болотного плуга при вспашке почв на нераскорчеванных вырубках [4]. В работе Совкова А.Ф. предложено использовать активный черенковый рабочий орган при резании почв насыщенных корнями [4]. Учеными Вялковой П.Ф. и Главацким С. Г. были обоснованы конструкции вибрационных рабочих органов для подрезки и выкопки сеянцев и саженцев в лесных питомниках [5]. Однако данных по использованию эффекта вибрации для заглубления дисковых рабочих органов лесных почвообрабатывающих орудий выявлено не было.
Оригинальным техническим решени-
ем, в котором впервые применена принудительная вибрация дисковых рабочих органов, является заявка на патент ВГЛТА за № 2009119778 «Почвообрабатывающее орудие» (рис. 2), на которое получено положительное решение. Экспериментальные исследования этой конструкции на реальных лесных объектах показали ее эффективность, но выявили ряд недостатков. К ним относятся сложность конструкции, относительно низкие надежность и КПД вибрационного механизма (ВМ), вследствие использования в нем механической передачи для привода от вала отбора мощности агрегатируемого трактора.
а б
Рис. 2. Принципиальные схемы лесного дискового культиватора (а) и гидромеханического
вибрационного механизма рабочих органов (б) 1 - вибрационный механизм; 2 - корпус; 3 - двухкулачковый вал; 4 - плунжер; 5 - секция плунжерного насоса; 6 - пружинно-гидравлический аккумулятор; 7 - предохранительный клапан; 8, 9, 10 - обратные клапаны; 11 - теплообменник; 12 - регулируемый вентиль; 13 - пневмогидравлический аккумулятор; 14 - редуктор; 15 - вал отбора мощности трактора
Более эффективной и надежной в работе, а также простой по конструкции является предложенное авторами техническое решение по заявке на патент ВГЛТА № 2010128888 от 12.07.2010 г. (рис. 3). По
данному изобретению предлагается избавиться от дополнительных утяжелителей, повысить качество обработки почвы за счет повышения заглубляющей способности и стабильности глубины обработки
почвы, а также уменьшить расход топлива. Достигается это путем вибрационной и энергосберегающей систем.
В данном случае непроизводительно рассеиваемую энергию при движении массивного почвообрабатывающего агрегата на вырубках, предлагается рекуперировать, и использовать в рабочем процессе для привода вибрационного механизма навесного дискового почвообрабатывающего орудия. Аккумулирование энергии осуществляется от систем: реку-
перации предохранителя почвообрабатывающего орудия 1, ходовой части 2 и навесного устройства трактора 3 (рис. 3). В качестве накопителя энергии служит пневмогидравлический аккумулятор
(ПГА) 25. Работа всех трех механизмов рекуперации ЛПА основана на насосном эффекте, возникающем при возвратно-поступательном движении штоков гидроцилиндров и соответствующей работе обратных клапанов.
6 7 8 32 25
1...3 - системы рекуперации предохранителя почвообрабатывающего орудия, подвески и навесного механизма трактора, соответственно; 4 - гидрораспределитель трактора; 5 - на-сосно-аккумуляторный узел; 6 - гидропульсатор вибрационного механизма; 7 - пружина; 8 -отводящий трубопровод; 9 - золотник; 10 - плунжер; 11 - гидроцилиндр предохранителя и вибрационного механизма рабочих органов орудия; 12, 14, 15, 16, 18, 20, 23, 24, 29 - клапаны обратные; 13 - дроссель регулируемый; 17 - гидравлический амортизатор подвески трактора; 19 - дроссель нерегулируемый; 21 - гидроцилиндр навесного механизма; 22 - мультипликатор давления; 25 - пневмогидроаккумулятор; 26 - манометр; 27 - клапан разгрузочный автоматический; 28 - насос; 30 - фильтр; 31 - гидробак; 32 и 33 - напорная и сливная магистрали
Рис. 3. Схема гидропривода лесного почвообрабатывающего агрегата с механизмами рекуперации энергии и вибрации рабочих органов дискового почвообрабатывающего орудия
Вибрационный механизм рабочих органов культиватора включает в себя гидропульсатор 6 и механизм рекуперации предохранителя 1 рабочих органов культиватора. Гидропульсатор обеспечивает вибрацию дисковых батарей с заданной частотой и амплитудой независимо, как от механизмов рекуперации 2 и 3, так и от на-сосно-аккумуляторного узла 5.
Работа гидропульсатора 6 вибрационного механизма заключается в следующем. Рабочая жидкость от насосно-аккумуляторного узла 5 по напорной магистрали 32 подводится к проточке «а» и плунжеру 10 гидропульсатора. При этом в условный начальный момент времени отводящий трубопровод 8 гидропульсатора перекрыт золотником 9. Давлением жидкости плунжер 10 плавно начинает перемещать золотник 9 и сжимать пружину 7. При дальнейшем движении золотник 9 вначале с помощью проточки «в» отсоединяет трубопровод 8 от сливной магистрали 33, а затем соединяет его через проточки «а» и «б» с напорной магистралью 32. Одновременно жидкость подается в проточку «г», под торец золотника 9, площадь которого значительно больше торца плунжера 10, что обеспечивает ускоренное движение (релейное переключение) золотника. Следствием такого движения золотника является импульсный выброс рабочей жидкости через проточку «б» в отводящий трубопровод 8 и далее в гидроцилиндр 11. Так как давление рабочей жидкости в гидроцилиндре 11 снижается по мере движения его штока, соответственно уменьшается и давление в проточке «г» гидропульсатора. Благодаря этому, золотник под воздейст-
вием усилия сжатой пружины 7 возвращается в исходное положение и рабочий цикл гидропульсатора повторяется.
Таким образом, при движении дискового рабочего органа в почве на заданной глубине обработки почвы, он вместе со стойкой совершает вынужденные колебания в упругой системе "рабочий орган -пружина - почва" под воздействием пульсаций рабочей жидкости в гидроцилиндре 11 предохранителя, передаваемой по трубопроводу 8 от гидропульсатора вибрационного механизма 6. При этом гидроцилиндр 11 в конструкции культиватора, в зависимости от цикла срабатывания, совмещает в себе функцию вибродвигателя и гидроцилиндра пневмогидравлического предохранителя.
Регулирование амплитуды колебаний рабочего органа, а следовательно, и глубины обработки в зависимости от удельного сопротивления обрабатываемой почвы и других факторов, осуществляется с помощью регулируемых обратного клапана 12 и дросселя 13 механизма рекуперации предохранителя 1.
Предлагаемая конструкция ЛПА обеспечивает рекуперацию энергии, повышение заглубляющей способности дисковых рабочих органов и их более устойчивый ход на заданной глубине обработки.
Компьютерное моделирование функционирования на вырубке лесного почвообрабатывающего агрегата с вибрационными рабочими органами (частотой 5.7 Гц и амплитудой 20.30 мм) и системой энергосбережения показали экономию топлива не менее чем на 20.25 %. Это подтверждает, что выбранное направление ис-
следования перспективно и его целесообразно продолжить в направлении экспериментальной проверки результатов компьютерного моделирования и последующей апробации в реальных условиях нераскор-чеванных вырубок.
Библиографический список
1. Бартенев И.М., Карамышев Е.В., Карамышев В.Р. К вопросу столкновения лесохозяйственных машин с препятствиями на вырубках // Вестн. Центр.-Чернозем. регион. отделения наук о лесе РАЕН ВГЛТА : сб. науч. тр. / ВГЛТА. Воронеж, 1998. Вып. 1. С. 230-234.
2. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. В 4 т. Т. 1. / Под ред. М.И. Клецкина. М.: Машиностроение, 1967. 722 с.
3. Дьячков Е.А. Гидропривод: учебное пособие / Волгоград : Волгоградский Ордена Красного Знамени политехнический институт, 1983. 81 с.
4. Совков А.Ф. Обоснование режимов работы и параметров активного рабочего органа черенкового типа для резания почв, насыщенных корнями: Дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1982. 167 с. Библиогр. С. 147-160.
5. Главацкий С.Г. Обоснование параметров комбинированного орудия для вибрационной подрезки и выкопки сеянцев в лесных питомниках: автореф. дис. канд. техн. наук. Красноярск, 2004. 24 с.
Лесотехнический журнал 2/2011
