Силовой анализ работы ротационных почвообрабатывающих машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

УДК 631.31.0031.2

Ю.И. Матяшин, доктор техн. наук, зам. директора ИНТК

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный агроинженерный университет»

Н.Ю. Матяшин, канд. техн. наук

А.Н. Матяшина, студентка

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

СИЛОВОЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ РОТАЦИОННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

Ротационные почвообрабатывающие машины, орудия и агрегаты по способу привода рабочих органов делят на три группы: приводного, беспривод-ного и комбинированного действия.

Первая группа ротационных машин для обработки почвы с приводом от вала отбора мощности (ВОМ), гидро- и электроприводом: почвофрезы, ротационные плуги, фрезерные культиваторы.

По назначению различают пропашные, болотные, полевые, садовые, лесные и торфяные фрезы. Их устанавливают фронтально, афронтально, с расположением оси фрезбарабана горизонтально, вертикально и наклонно. Барабан может вращаться сверху вниз и снизу вверх (в горизонтально установленных фрезах), по ходу часовой стрелки и наоборот (в вертикально установленных фрезах). Форма барабана может быть цилиндрической, конической и спиральной (винтозубовый).

Вторая группа ротационных почвообрабатывающих орудий бесприводного действия: игольчатые и дисковые бороны, культиваторы, лущильники, мотыги, катки, прореживатели. По форме барабаны

46

этих орудий делят на цилиндрические, конические и винтозубовые (спиральнозубовые). Как и в машинах первой группы, рабочие органы устанавливают фронтально, афронтально, вертикально или наклонно.

Третья группа представлена ротационными машинами комбинированного действия с приводом рабочих органов от ВОМ или через прицепное (навесное) устройство. В эту группу включают комбинированные агрегаты из почвофрез с приводом от ВОМ трактора, лемешно-роторные плуги, культиваторы с активными и пассивными рабочими органами и т. п.

В зависимости от формы барабанов, способа привода рабочих органов, расположения геометрической оси и направления вращения барабана рабочие органы ротационных почвообрабатывающих машин движутся в почве по различным траекториям. Основные траектории движения рабочих органов — циклоиды (трохоиды) могут быть удлиненными (для почвофрез, ротационных плугов и др.), почти обыкновенными (в ротационных боронах, мо-

тыгах, катках и др.), укороченными и удлиненными (для ротационных машин с коническими барабанами). По сложным траекториям движутся винтозубовые (спиральные) рабочие органы машин с цилиндрическими, коническими барабанами, установленными афронтально и наклонно. Это наиболее общий случай, который характеризует работу любой ротационной почвообрабатывающей машины или орудия.

Кинематика ротационных почвообрабатывающих машин изучена многими исследователями и наиболее полно изложена в работах [1...4], в то время как динамика этих машин рассмотрена лишь частично.

В данной статье изложены вопросы динамики ротационных машин приводного и беспривод-ного действия. Типичной машиной первой группы является почвофреза с горизонтальной осью, установленной фронтально.

При работе почвофрезы на ее 180'

барабан, вращающийся сверху вниз, действуют следующие силы (рис. 1, а): Ро — окружное усилие; Qб — нормальная сила на ось фрезбарабана; Ло — равнодействующая сил Лу и Кх; Ку — вертикальная составляющая реакции почвы в точке контакта рабочего органа; Ях — горизонтальная составляющая.

За точку приложения Ко условно принято начало вхождения ножей в почву. В связи с неравномерностью толщины стружки и периодичностью вхождения ножей в процессе работы эта сила изменяется по величине и направлению. Угол наклона равнодействующей (Р') определяют по известным Ку(К у) и Кх(К'а) из выра-

жения Р' = агС£(Лу/Лх).

Значение угла Р' зависит от скоростного режима работы (X), глубины обработки и состояния почвы. Вертикальная составляющая Яу при вращении барабана сверху вниз обычно направлена вверх и создает выглубляющий момент, а горизонтальная Лх совпадает с направлением движения трактора и создает подталкивающее усилие на фрезе при к1 < Я. С увеличением глубины обработки (к1 > Я1) направление Ях изменяется на противоположное, и она создает тяговое сопротивление.

Фрезбарабан вращается под действием ведущего момента Мв = PoR. Момент сопротивления вращению барабана Мх = RyH. При равномерном движении (vn = const) подводимая к барабану мощность N = Мвю. Она складывается из мощности сопротивления вращению Mjffl и мощности, передаваемой барабаном остову машины, М2 = RxR^.

Баланс мощности фрезбарабана при hx < R

Мвю = М + М2 + Мб)ю.

Толкающая сила при равномерном движении

Rx = Мв - Мб - ЦУХд.

При неравномерном движении фрезы и hx < R Мвю = М + М2 + Мб ± М;)ю,

где Мб—момент инерции фрезбарабана: Мб = R2/2; М{ — приведенный к фрезбарабану инерционный момент.

/ а р л кр ^ 1-Л Д А х/ 'X у \*Р У 90° : 0

\ V г f R h'\

\ -sT ^у a^R х м

> ^ 0 р^ О

а

^^80° р * кр w! О R “Х Г A Rr і Vі

Ук* 1/ у Vf А 1 V^R' 90°: 0

\ V г 1 Lp'* \ /ут о -Л'\ у .*х \«/

\ •«т А V

> ^ 0 R ' '-R' У

б

Рис. 1. Схемы сил, действующих на ротационный рабочий орган приводного действия: а — вращение барабана «сверху вниз»; б — вращение барабана «снизу вверх»

P

х

А'

R

L

<

180°

а

б

Рис. 2. Схемы сил, действующих на ротационный рабочий орган приводного действия, ось которого вертикальна:

а — по ходу часовой стрелки в плоскости хОz; б — в плоскости уОх

При заглублении фрезы, большем радиуса барабана (h1 > R), и равномерном движении баланс мощности имеет вид

Мв ю = RH + R/hJ - R) + Ркр (hj - R) + М6]Ю.

Коэффициент полезного действия (КПД)

при h1 < R

n=Rxvn / Мв®;

при hj > R

П' = Pкрvn / МвЮ

При вращении фрезбарабана снизу вверх (рис. 1, б) ведущий момент становится моментом сопротивления. В этом случае при заглублении hi < R вертикальная составляющая Ry направлена вниз и создает заглубляющий момент, а горизонтальная R'x — тяговое сопротивление. Когда же заглубление фрезы больше радиуса барабана, горизонтальная составляющая R'x изменяет свое направление на противоположное и создает подталкивающее усилие на фрезе.

В этом случае при vn = const и hi < R баланс мощности

Мв = (Мі + М2 + М3 + Мб)ю

или

РоR Ю = [(Ркр + Rx)Rд + R'^ + Мб] Ю.

Движущая барабан сила

Р = М - (М1 + М2 + Мб) / R .

кр в v 1 2 6у д

При заглублении фрезы h1 > R баланс мощности

Р^ ю = [R'уH + RX (hj - R) + М5] ю ,

движущая фрезу сила

RX = МВ - (М1 + М5) / (hj - R).

Получив экспериментально Rx(RX), Rу(Rу), крутящий момент на валу фрезбарабана Мв и его угловую скорость ю определяют расход мощности на фрезерование почвы и передвижение фрезы, а также угол наклона в' равнодействующей к горизонтали, которые используют при прочностном и энергетическом расчетах.

При работе почвофрезы с вертикальной осью вращения по ходу часовой стрелки (рис. 2, а) на фрезбарабан действуют следующие силы в плоскостях хОz и уОх (а = 0____90°):

Iх = °: Ркр = К; IY = °: Єб = ^ IZ = °: Rz = Pz,

где а — угол поворота фрезбарабана.

Моменты сил

ІМ = 0: Мв = Мс = Мсі + МС2;

РоR = RzRsina + R^Rcosa,

где Ркр — тяговое усилие; R^ R^ Rz — горизонтальная, вертикальная и боковая составляющие сопротивле-

48

ния; Q6 — нормальная сила на ось фрезбарабана; Ро — окружное усилие; R — радиус фрезбарабана; Мв — ведущий момент; Мс — момент сопротивления вращению барабана.

При a = 90...1800

М'с1 = RzR sin(180° - a2) = RR sina2;

М'с2 = RxR cos(180° - a2) = -RXR cosa2.

Баланс мощности фрезбарабана

при равномерном движении (vn = const)

Мвю = (М1 + М2 + Мб)ю;

при неравномерном движении (vn ф const)

Мвю = (М1 + М2 + Мб ± М;)ю.

КПД

(RRxlRzK М вю

или

л = М = NBQM ± Nт

Мв Ne .

Конический ротационный рабочий орган с приводом от ВОМ (общий случай) и силы. действующие на него, показаны на рис. 3. В процессе работы на вращающийся сверху вниз барабан действуют аналогичные силы, что при работе почво-фрезы с цилиндрическим барабаном.

Ведущий момент на фрезбарабане при vn = const.

М = Р R,

в о ’

где Ро — окружное усилие; R — радиус барабана в нейтральном сечении.

Момент сопротивления вращению барабана

М = (М1 + М2) = ^ Н + RR где R^, Rxi — вертикальная и горизонтальная составляющие равнодействующих сил; Rfl = R - h{ = Rcosa — динамический радиус; Н = Rsina — плечо сопротивления перекатыванию.

Баланс мощности фрезбарабана при vn = const

Мвю = (М1 + М2 + Мб)ю, где Мб = mi R2/2 — момент инерции фрезбарабана.

При vn ф const

Мвю = (М1 + М2 + Мб ± М;) ю.

Условие равновесия фрезбарабана при vn = const IX = 0: Ркр = RT; IY = 0: Q^ = R¡; ІМ = 0: Мъ = Мс.

Осевое усилие

Roa = Rтsiny;

v

90°

R

X

180°

б

Рис. 3. Схемы сил, действующих на конический рабочий орган с приводом от ВОМ:

- в плоскости уОх; б — в плоскости хОг; в — эпюры действующих сил

ния перекатыванию; Ркр — движущая сила; Рб — нормальная нагрузка; Ri, — тяговое сопротивление; RC) — равнодействующая элементарных сил, точка приложения которой условно принята при вхождении зуба в почву.

Известно, что при равномерном движении барабана линии действия указанных трех сил пересекаются в одной точке — центре барабана О. Так как силы Ркр и Рб приложены к оси барабана, то и линия действия силы Rо проходит через центр барабана. Разложим Rо на вертикальную Rв и горизонтальную Rx составляющие. Последняя есть сила сопротивления передвижению барабана или тяговое сопротивление.

При неравномерном движении (vn Ф const)

Мв = Мс + М2 ± Мі,

где М2, Мі — моменты, создаваемые соответственно силами трения и инерции барабана.

радиальное усилие

Rr = RTcosy,

где RT — тяговое сопротивление фрезбарабана; у -атаки.

Толкающая сила при vn = const

Rx = (Мв - Мб - М / Rд.

КПД

л=

N ВОМ + N т

N

Цилиндрический рабочий орган машины бесприводного действия схематично изображен на рис. 4. Приведена схема сил, действующих на ротационный орган бесприводно-го действия (барабан цилиндрический, установлен афронтально).

При равномерном движении (vn = const) условие равновесия барабана следующее:

Iх = °: Ркр = RT; Iy = 0: Рб = К;

ІМ = 0: Мв = Мс,

где Мв = Р^д — момент, движущий барабан; М = R Н = R R — момент со* ’с в т д

противления качению; Rfl = R - hi =

= Rcosa — динамический радиус барабана; Н = Rsina — плечо сопротивле-

Уравнение равновесия имеет вид

Ркр = К^а + М2 / Rcosа ± М; / Rcosа =

- угол = КвЯ/Кд + М2 / Кд ± М; / Кд,

где Н/ Кд= sinа / Rcosа = 1§а = / — коэффициент сопротивления качению барабана.

Первая и вторая составляющие учитывают соответственно затраты энергии на преодоление силы трения сцепления зубьев о почву и в подшипниковых узлах, а составляющая ±М/Кд учитывает сопротивление качению от сил инерции при разгоне или замедлении движения барабана. Получив экспериментально значения Кт и Ко, определяют расход тяговой (ЛГ) и общей (И^) мощности по известным выражениям:

^ = Кт ^; Nо = Ко V

Рис. 4. Схема сил, действующих на ротационный рабочий орган бесприводного действия (спиральный цилиндрический)

R

R

R

в

а

xOz

Рис. 5. Схема сил действующих на ротационный конический рабочий орган бесприводного действия

Угол наклона вектора силы Ro к горизонтали Р' = arctg(RB/RT).

КПД:

тяговый пт = NT/Ne;

общий по = Nо/Ne.

Конический рабочий орган ротационного орудия бесприводного действия и силы, действующие на него, показаны на рис. 5.

При равномерном движении (vn = const) действие сил на конический барабан аналогично действию сил на цилиндрический барабан:

гО\ КПД

По = NN или По = NN

Расчет сил машин третьей группы (комбинированного действия) аналогичен расчету сил машин приводного (первая группа) и бесприводного действия (вторая группа).

Расчет сил в звеньях криво-шипно-коромыслового механизма изложен в работе [5]. В ротационных рабочих органах, где ось барабана установлена фронтально (под углом атаки) или применен конический или винтозубовый барабан, или барабан вращается по ходу или против хода часовой стрелки, возникают осевые (боковые) усилия. В этом случае для обеспечения устойчивости движения МТА в горизонтальной плоскости применяют попарную установку рабочих органов (рис. 6).

Iх = Ркр=RT; = 0 Рб=rb;

IM = 0; Мв = Мс,

где Мв = Ркр^д — движущий момент барабана; Мс = RbH — момент сопротивления качению барабана; Яд = Ri -- hi — динамический радиус барабана; Ri — радиус барабана в нейтральном сечении; hi — заглубление барабана; Н = Rsina — плечо сопротивления перекатыванию.

При неравномерном движении (vn ф const)

Мв = Мс + Мг ± М,

где Мг, Мі — моменты соответственно от сил трения и инерции барабана.

Условие равновесия сил;

Ркр = RBtga + М/Rcosa ± M/Rcosa = = R Н/R ± М/R ± М./R ,

в д г д J д’

где H/Rfl = sina/Rcosa = tga = / — коэффициент сопротивления качению барабана.

Ж P кр

2\/ 1°

\ RJ-

ТІ А \ ч

' - \r°c2 /'1

1

б

Рис. 6. Схема к определению сил, действующих на конические ротационные рабочие органы:

а — односледное расположение конических барабанов; б — двухследное расположение конических барабанов.

Приведенный метод расчета сил, действующих в ротационных почвообрабатывающих машинах при их работе, можно использовать при прочностном и энергетическом расчетах.

Список литературы

1. Матяшин, Ю.И. Расчет и проектирование ротационных почвообрабатывающих машин / Ю.И. Матяшин [и др.]. — М.: Агропромиздат, 1988.

2. Матяшин, Ю.И. Теория и расчет ротационных почвообрабатывающих машин / Ю.И. Матяшин [и др.]. — Казань: Татарское книжное издательство, 1999.

3. Канарев, Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия / Ф.М. Канарев. — М.: Машиностроение, 1983.

4. Синеоков, Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г.Н. Синеоков, И.М. Панов. — М.: Машиностроение, 1977.

5. Матяшин, Ю.И. Расчет сил, приложенных к звеньям кривошипно-коромыслового механизма в машинах для безотвальной обработки почвы / Ю.И. Матяшин, А.В. Матяшин / Актуальные вопросы механизации и технического сервиса в сельском хозяйстве: материалы научной конференции КГСХА. — Т. 72. — Казань, 2005.

УДК (633.1:631,5).003.13

В.А. Шевченко, доктор с.-х. наук, профессор П.Н. Просвиряк, соискатель

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ОЗИМОЙ ТРИТИКАЛЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФОНОВ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

Энергетическая эффективность возделывания любой сельскохозяйственной культуры в конечном итоге зависит от себестоимости и рентабельности производимой продукции. Эти показатели определяют эффективность сельскохозяйственного производства, поэтому снижение себестоимости и повышение рентабельности является важнейшей задачей.

Сельское хозяйство всегда было отраслью народного хозяйства, работающей с положительным балансом энергозатрат. Это означает, что выпускаемая продукция содержит больше энергии, чем затрачивается на ее производство. Однако и здесь издержки постепенно возрастают, поскольку год от года фондонасыщенность производства усиливается, что приводит к увеличению потребления энергоресурсов в агропромышленном комплексе и повышению энергетической цены пищевой калории. По расчетам экономистов-аграрников на 100 кал. продукции в нашей стране в 1928 г. затрачивалось 48 кал. совокупной энергии, в 1950 г. — 57, в 1960 г. — 70 и в 1980 г. — 86 кал. В настоящее время затраты совокупной энергии приблизились к соотношению 1:1.

Сельскохозяйственное производство является крупнейшим потребителем энергоресурсов. Непосредственно в сельском хозяйстве расходуется 40...45 % дизельного топлива, 30...35 % бензина и около 7 % электроэнергии общего мирового потребления.

Растениеводство — единственная отрасль народного хозяйства, где происходит накопление полезной продукции в результате фотосинтеза. Во всех

остальных отраслях — животноводстве, перерабатывающей промышленности энергия только преобразуется в различные формы. Однако и в растениеводстве рост дефицита энергии обуславливает жесткие границы по использованию энергоемких машинных технологий возделывания сельскохозяйственных культур и требует перестройки сложившейся системы оценки их эффективности. Актуальность проблемы определяется также переходом страны к рыночной экономике, систематическим изменением цен на материалы и услуги, что сопровождается постоянной инфляцией. В этой связи невозможно дать объективную экономическую оценку эффективности возделывания той или иной культуры, а также использования технологических приемов [2]. Такой объективной оценкой может быть энергетическая эффективность возделывания сельскохозяйственных культур в зависимости от применяемых агроприемов.

К основным показателям энергетической эффективности относятся: чистый энергетический доход, биоэнергетический коэффициент (КПД посева) и энергетическая себестоимость продукции. При этом если коэффициент энергетической эффективности больше нуля, а коэффициент полезного действия посева больше единицы, то разработанную технологию можно считать энергетически эффективной.

В настоящей статье приведены результаты исследования энергетической эффективности возделывания озимой тритикале в зависимости от фонов минерального питания при оптимальных нормах высева семян.

51