Теоретическое обоснование параметров дисковых рабочих органов агрегата для полосного посева семян трав в дернину Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631. 33. 024. 4

В. Д. ПОПОВ, д-р техн. наук; В. А. ЮНИН

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

ДИСКОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ АГРЕГАТА

ДЛЯ ПОЛОСНОГО ПОСЕВА СЕМЯН ТРАВ В ДЕРНИНУ

Задачей данной работы является выбор надежных активных рабочих органов для работы на дернистых почвах и почвах, засоренных камнями, и определение энергоемкости процесса фрезерования.

Основной целью луговодства является создание благоприятных условий для роста и развития трав, своевременное проведение обработки дернины лугов и пастбищ и введение в травостои ценных кормовых культур [1].

Для определения наиболее эффективного направления в создании менее энергоемких технических средств фрезерной обработки почвы, рассмотрим причины ее высокой энергоемкости.

После отрезания почвы стружка отбрасывается назад, что приводит к непроизводительным затратам энергии. Для фрез с Г-образными ножами на высокоскоростных режимах работы потери мощности на отбрасывание почвы достигают 20% от общих затрат мощности на фрезерование. При скорости резания 6-10 м/с возникают значительные ударные нагрузки в начальный период заглубления ножа в почву, преодоление ударных нагрузок также приводит к непроизводительным затратам энергии [4].

Ножи фрез измельчают почву стружками переменной толщины, монотонно убывающей до нуля пропорционально заглублению ножа. Минимальная толщина стружки и более интенсивное измельчение соответствуют нижней части обрабатываемого пласта. Поэтому в создавшихся условиях для достижения заданной степени измельчения верхней части пласта нижняя его часть измельчается преднамеренно излишне, что служит причиной распыления почвы и повышения энергозатрат.

К основным факторам, влияющим на расход мощности при ротационной обработке почвы, следует отнести скорость резания Урез, окружную скорость барабанаУ0; поступательную скорость машины Уп; глубину обработки Ь: подачу 8; ширину стружки Ь; диаметр барабана Б; ширину захвата машины В.

Высокая энергоемкость процессов на базе активных рабочих органов обусловлена следующими основными факторами:

- большим удельным весом энергоемких деформаций почвы (сдвига, отрыва, сжатия) при разрушении пласта и, практически, отсутствием малоэнергоемких деформаций растяжения;

- большим удельным сопротивлением почвы из-за нерационального направления движения ножей «сверху вниз» в сторону более плотных горизонтов;

- недостаточным скольжением почвы относительно рабочих поверхностей ножей, а, следовательно, ее повышенным отбрасыванием;

- ударным характером воздействия на обрабатываемую среду из-за неудачной геометрической формы ножей.

На основании проведенного анализа можно заключить, что наибольшими недостатками в представленных рабочих органах обладает фрезерный барабан с Г-образными ножами, как наиболее изнашивающийся узел, не предназначенный для работы на почвах с наличием камней.

Снижение энергоемкости обработки почвы машинами с активными рабочими органами возможно лишь при устранении этих неблагоприятных факторов. Поэтому найден такой способ разрушения пласта, при котором имеют место малоэнергоемкие деформации растяжения, а отбрасывание почвы сведено до минимума, благодаря повышенному скольжению обрабатываемого материала относительно активных рабочих органов. Впервые этот принцип был разработан, и применен в НИПТИМЭСХ Северо-Запада в 1973-1975 годах [5].

Немаловажным с точки зрения уменьшения сопротивления почвы в этом способе было изменение направления деформирования пласта с традиционного «сверху-вниз» (от менее плотных в сторону более уплотненных горизонтов) на боковое, при котором увеличение плотности почвы по глубине не оказывает влияния на энергоемкость

обработки. Кроме того, резание почвы получается малодинамичным, безударным. Процесс рыхления почвы сопровождается упругими и пластическими деформациями сжатия, сдвига, разрыва, а также перемещением отдельных частиц с трением друг о друга и о рабочие органы [3].

Сопоставление эксплуатационных характеристик комбинированных ротационных машин с характеристиками фрезерных машин показывает, что машины для послойной обработки менее энергоемки, чем фрезы. Это позволило увеличить их ширину захвата при той же потребляемой мощности. Комбинированные машины работают на более высоких скоростях и способны обработать почву на большую глубину, чем фрезы. Они могут дать существенное снижение энергоемкости обработки при сохранении качества крошения почвы, предпочтение следует отдавать схемам размещения ротора за плоскорезными лапами, так как установка плоскорезных лап снижает энергоемкость процесса.

Определим энергоемкость процесса обработки почвы при работе активного дискового измельчителя на ровной поверхности поля при установившемся режиме работы. Потребляемая измельчителем мощность N расходуется на резание почвы лезвиями диска, разрыв почвенных лент боковыми плоскостями дисков, отбрасывание почвы, подталкивание машины и трение в передачах.

1ч1рез 1 ^разр 1 ^отор 1 ^подт V-1-/

где: Крез^разр^отбрЛодт^тр - затраты мощности соответственно на резание почвы лезвием диска, разрыв почвенных лент боковыми плоскостями дисков, отбрасывание почвы, подталкивание машины и трение в передачах.

Потери мощности на перекатывание машины и потери в передаточных механизмах при изменении параметров ротора остаются постоянными, поэтому при дальнейших расчетах их не учитываем.

Основными членами уравнения затрат мощности на привод ротора являются Крез и Ыр;г;р. Для анализа Ырс, рассмотрим работу дискового ротора шириной В, диаметром Б, с междисковым расстоянием М, нарезающего почвенные ленты с подачей 8, амплитудой колебания лезвия диска А и глубиной Ь. показанные на рисунке.

За один оборот вала лезвие каждого диска дважды прорежет почву в поперечном направлении, при этом общая длина среза одного диска £т определится из выражения

! _ +4А2)2 + 4А2 ■Я2(1-со8а)2-(^'2+4А2)

Зл/52+4 А2

где Я - радиус диска; а - угол наклона диска к оси ротора.

Схема расстановки рабочих органов:

1 - плоскорез. 2 -ротор, 3 - наклонный диск, 4 - защитный кожух, 5 - семяпровод, 6 - каток

Количество дисков на валу ротора шириной захвата В от междискового расстояния М и равно:

В-А 1 пп =-+ 1.

1Д

М

(3)

Длина среза, выполненная всеми дисками ротора за один оборот вала, составит:

(4)

р р ^ Д '

Если среднее удельное сопротивление почвы резанию лезвием р0, то усилие на роторе от резания лезвием дисков будет равно:

РРЕЗ Ро ' ^Р '

(5)

Для задернелой почвы можно принять, что р0=1,62 кН/м. Учи-

тывая длину

1 =

1 + Л

Л2

Л

эезания по глубине из формулы

■ Г. л)

(рх =агс81п1 1-—I;

(р2 =

ж-Л 2(Л-1)

; (6)

(7)

(8)

(где X - кинематический параметр) и время одного оборота ротора, определим удельную мощность, затрачиваемую на резание почвы лезвиями дисков.

2- ж ■ ' р ' ^

N

1 у РТ7Я

(О

(9)

Вторая составляющая уравнения баланса мощности - это мощность, расходуемая на отрыв почвенной стружки. Общая площадь разрыва определится как сумма площади разрыва почвенной ленты по глубине и площади отрыва стружки от дна борозды

а =

(10)

где £рдзр _ длина линии разрыва, в зависимости от междискового расстояния; I - длина резания диска по глубине, определится из выражения (6).

Площадь отрыва стружки от дна борозды равна (3отр1 (11) или С^0тр2 (12) в зависимости от междискового расстояния.

а Лм~л). (11)

^¿ОТР1 2 ' ^ '

Qc

-i?2(l - cos а)

(12)

Учитывая связность, верхнего слоя задернелых почв рсв з=2,6 кН/м и связность почвы на глубине обработки Ь рсвм=1,0 кН/м, определим усилие на роторе от разрыва всех почвенных лент:

Р'разр ~ \Рсв.з ■Ог+Р свм ■02)'Пд- (13)

Наиболее вероятной точкой приложения равнодействующей разрывных сил будет точка, находящаяся от оси ротора на удалении (Я-8/4), а угол приложения силы равен (а+Р), тогда крутящий момент на валу ротора, необходимый для преодоления сил сопротивления разрыву составит:

МКР = Рразр ■ + - ^ / 4). (14)

Удельная мощность, затрачиваемая на разрыв почвенных лент боковыми плоскостями дисков равна:

ЫРАЗР =МКР-а> . (15)

Величину мощности, затрачиваемой на отбрасывание почвы, определяем на основе теоремы об изменении кинетической энергии.

г

Нормальные составляющие скорости частицы до удара ¥п и

и

после удара Уп связаны соотношением

и

к у = —V, (16)

где Ку - коэффициент восстановления почвенной частицы; Ку=(0-0,4).

Касательные, составляющие относительной скорости частицы

и 1

после удара Vх и до удара УТ , находятся из выражения

к'=(1-/)-к, (17)

ра

где Г - мгновенный коэффициент трения.

Относительная скорость движения частицы почвы после уда-

Уот = (у с об 2 а(1 -/У | • Уа. (18)

После удара о нож частица отскакивает по направлению, отклоненному от нормали к плоскости ножа под углом отражения, связанного с углом падения уравнением

, = ^ (19,

/И«! а) Ку

Отсюда угол

Р' = агах У Г . (20)

Ку ■

Абсолютная скорость движения частиц почвы после удара

1

Уа равна векторной сумме относительной Уот и переносной Уа скоростей

у'а = 4кт + vi - 2 гот ■ га • со5(90" +а-Р') . (21)

Мощность на отбрасывание почвы одним диском определяется как:

NОТБР , (22)

, М-И-Уа-р где т - секундная масса почвы; т =-; р - плот-

ность почвы.

Мощность, затрачиваемая на отбрасывание почвы всеми дисками ротора

"'■(Taj

^ОТБР ~ ^ ' (23)

Мощность на подталкивание машины за счет горизонтальной составляющей сил сопротивления

■ V„ ■ cos w

N = —2—ч-(id)

1У ПОЕТ тг ' V^V

V0 ■ cos y/1

где: No - мощность на резание и измельчение почвы дисками ротора; N®=Npe3+NoTp+NoT6P; H'i ~ угол, на который отклонена равнодействующая всех сил сопротивления от касательной к окружности барабана; по данным можно принять, что в зоне \|/i=15°; у - среднее значение угла наклона равнодействующей за время отрезания стружки, при работе острых ножей, \|/=15°.

Общие удельные затраты мощности без учета потерь в передаточных механизмах NcyM (кВт/м) равны сумме Npe3 (9), Npa3p (13), N0T6P (21) и Кподт (22) [4]:

N =N +N +N «+N C254)

^сум ^рез ^разр 1^отор 1^подт-

Исходя из этого, можно определить максимальную ширину агрегата при данных параметрах и условиях работы и выбрать в качестве рабочих органов активные рабочие диски косо поставленные на валу как менее энергоемкие по сравнению с Г-образными ножами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузнецов И.И. Роль лугопастбищного хозяйства в повышении продуктивности животных на Северо-Западе России. /В сб. «Современные проблемы развития лугопастбищного хозяйства в Северо-Западной зоне РФ». - Вологда, 1998.

2. Концепция развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства Нечерноземной зоны России на 1995 год и на период до 2000 года. - СПб, 1993.

3. Вершинин В. И., Марченко О. С., Бычков В. В. Конструктивные параметры ротационного плоскорезно-дискового рабочего органа - М.: НТБ ВИМ,- 1991. - Вып. 82. - С. 42-45.

4. Синеокое Г. И., Панов И. М Теория и расчет почвообрабатывающих машин - М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.

5. Догановский М. Г., Клейн В. Ф., Фатеев И. И. Некоторые результаты исследований дисковой бороны //Вопросы организации, технологии и механизации производства продукции растениеводства: Науч. тр. - Л.: НИПТИМЭСХ, 1974. - Вып. 15. - С. 67-70.

Получено 27.08.02. УДК 631.31:62-50

В Н. СУДАЧЕНКО, канд. техн. наук; В В. КОЗЛОВ

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ЗАЩИТНОЙ ЗОНЫ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ ПРИ МЕЖДУРЯДНОЙ ОБРАБОТКЕ

Приведены описание, техническая характеристика, принцип и показатели работы и результаты испытания устройства для отслеживания защитной зоны культурных растений при междурядной обработке, а также предполагаемые направления совершенствования данного устройства.

Для междурядной обработки пропашных культур используются культиваторы различных типов. При работе этих культиваторов большое значение имеет точное вождение агрегатов вдоль рядков культурных растений. В СЗНИИМЭСХ разработано, изготовлено и в 2000-2001 гг. прошло государственные приемочные испытания на Северо-Западной МИС устройство для отслеживания защитной