ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН С РОТАЦИОННЫМИ АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ

Обзор исследований свидетельствует, что по вопросам создания машин складывается неоднозначное мнение, они охватывают не весь спектр существующих проблем. Например, нет данных о конструктивном оформлении ножей для обеспечения постоянства оптимального угла установки по ширине захвата крыла ножа. Кинематика рабочих органов рассматривается в плоскости продольного сечения фрезбарабана, а не в пространстве, поэтому характер протекания многих процессов остается вне сферы теоретических и экспериментальных исследований. Недостаточно изучена механика взаимодействия ножа с почвой. Конструктивные, кинематические и технологические характеристики ножей не используются в зависимостях для расчета силовых, энергетических показателей как рабочих органов, так и основных узлов машин.

Не менее важной задачей проектирования и изучения рабочих органов почвообрабатывающих машин является учет числа возможных движений рабочих элементов. Это позволяет дать своеобразную оценку характера их взаимодействия с почвой, выявить условия передачи энергии для получе­ния заданного направления их воздействия на почву с целью придания последней определенных свойств с минимальными затратами, установить независимые координаты и закон их движения.

Определенную дестабилизацию процессу взаимодействия АРО почвообрабатывающей фрезы с почвой придают его цикличность и постоянное изменение сопротивления среды. Последовательная работа нескольких ножей вызывает колебания крутящего момента в механизме их привода. Снижение их амплитуды связано с расположением и конструктивным исполнением рабочих элементов, их креплением на дисках вала фрезбарабана.

Уточнению расположения ножей на валу фрезбарабана посвящены работы И. М. Панова, В. А. Шмонина, В.Зоне, Г. Бернацкого, А. Д. Далина. Однако в этих исследованиях не учитывается период взаимодействия отдельного ножа, продолжительность отрезания почвенной стружки, не уточняется механизм фиксации ножа на валу фрезбарабана, не даются рекомендации по снижению колебаний нагрузки в процессе отрезания почвенной стружки. Указанные недостатки частично устраняются за счет создания рабочих органов с винтовыми и элипсовидными рабочими элементами.

С другой стороны, для малогабаритных фрез (садовых, тепличных и др.), имеющих небольшое количество ножей, оптимизация их расположения не решает проблему снижения неравномерности колебания нагрузки на валу привода. Установка динамических гасителей вызывает сброс энергии к элементам муфт, способствует их нагреву.

На основании анализа состояния проблемы и в соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать алгоритм синтеза АРО почвообрабатывающих машин.
2. Разработать классификацию почвообрабатывающих рабочих органов по степени свободы движения.
3. Разработать принципы оптимизации параметров формирования гребней при возделывании картофеля.
4. На основе общей теории винтовых поверхностей разработать теоретические принципы проектирования рабочих поверхностей и кинематики активных рабочих органов почвообрабатывающих машин различного функционального назначения.
5. Предложить аналитический метод определения оптимального угла установки лезвия АРО.
6. Разработать аналитические методы исследования процесса взаимодействия различных рабочих органов с почвой. Выяснить характер силовых факторов, действующих на отдельные рабочие органы и на барабан со стороны обрабатываемой почвы, в зависимости от их конструктивных параметров и режимов обработки.
7. Исследовать динамику сил вала фрезбарабана и эле­ментов трансмиссии. Предложить способы снижения динамических нагрузок в системе привода активных органов почвообрабатывающих машин и разработать ме­тодику расчета размещения рабочих органов на фрезбарабане.
8. Изучить механизм отбрасывания почвен­ных частиц активными рабочими органами с целью снижения коэффициента отбрасывания и энергозатрат, исследовать природу образования подталкивающего действия рабочих органов фрез и добавочного сопротивления защитного кожуха.
9. Выполнить сравнительную оценку и установить зависимости силовых, энергетических показателей почвообрабатывающих фрез с различными АРО в функции геометрических, технологических и кинематических параметров.
10. Определить агротехнические, энергетические и технико-экономические показатели работы комбинированных РПМ с АРО, разработать рекомендации по их проектированию, использованию и внедрению в производство.

Во второй главе «Обоснование основных параметров и режимов работы ротационных почвообрабатывающих рабочих органов с винтовыми элементами» дано агротехническое и агробиологическое обоснование основных параметров АРО для выполнения различных технологических операций обработки почвы. На основе общей теории винтовых рабочих поверхностей получены уравнения кинематики применительно к АРО для выполнения следующих функций: работа в качестве активных предплужников при вспашке склонов, предпосевная подготовка, междурядная обработка, формирование гребней, окучивание картофеля. С целью обеспечения оптимальных условий работы АРО получено уравнение для определения оптимального угла установки лезвия.

В настоящее время отсутствуют методы синтеза активных рабочих органов для заданных условий функционирования. В работе предлагается алгоритм синтеза АРО. На примере определения оптимальных размеров гребня для возделывания картофеля поставлена задача установления параметров АРО, участвующих в его формировании.

С учетом формы и размеров клубневого гнезда применительно к реальным условиям возделывания картофеля предложены методические принципы оптимизации параметров формируемого гребня. Установлены целевая функция, граничные условия, площадь гребневого поля, которые однозначно позволяют определить глубину обработки hобр, рабочую ширину BP гребнеобразующего АРО:

; (1)

, (2)

где x – абсцисса точек профиля гребневого поля, м; h – высота гребня, м; n = 0, 2, 4, 8… – показатель степени; – масштабный параметр кривой линии функции, опи­сывающей профиль поверхности гребня, рад/м; В – ширина междурядий, м.

Для приближенного определения параметров гребнеобразования разработана номограмма. С учетом заданных (запрограммированных) значений высоты гребня h и угла естественного откоса по номограмме можно определить оп­тимальные значения показателя степени n и параметра a общего уравнения профиля поверхности гребня, ширину междурядий B, ширину захвата активного рабочего органа BP, глубину обработки hобр и площадь профиля гребня F.

Одним из путей повышения эффективности работы лемешно-отвальных плугов, в том числе на склонах, является введение второго потока передачи мощности для выполнения технологического процесса, который направляется на привод активных предплужников. Разработан метод проектирования последних, основанный на использовании условий выполнения технологического процесса на склоне. Исходя из этого установлены основные параметры активного предплужника.

Минимально возможная (целесообразная) ширина захвата b1 активного предплужника определена с учетом улучшения оборачивающей способности и повышения устойчивости обернутого пласта основным корпусом плуга по формуле

b1=b– (3)

где а – глубина обработки основным корпусом, мм; b – ширина захвата основного корпуса, мм; h1 – глубина хода предплужника, мм.

Для стандартной ширины захвата основного корпуса (b=350 мм) и рекомендуемой глубины основной обработки почвы для Нечерноземной зоны (а=220…260 мм) ширина захвата активного предплужника, при которой улучшается устойчивость обернутого пласта на склоне, должна быть в пределах b1=120…160 мм при глубине его хода h1=80 …120 мм.

Рассматривая теорию винтовых поверхностей для проектирования ротационных АРО, А. И. Лещанкин исследовал свойства поверхностей и кинематические аспекты проблемы без увязки с процессами функционирования АРО, изучения силовых и энергетических характеристик.

АРО по всей ширине захвата должен обеспечивать: постоянство оптимального угла установки; выполнение условия скользящего резания; заданную по условиям агротехники глубину обработки; выполнение агротехнических требований в соответствии с их функциональным назначением.

Уравнение рабочей поверхности лезвия фрезерного рабочего органа с открытой прямой линейчатой винтовой поверхностью, в параметрическом виде удовлетворяющей перечисленным условиям (рис.1), запишется:

(4)

в явной форме

; (5)

в цилиндрических координатах (z, , )

; (6)

при помощи круговых векторных функций

(7)

где u, и , – криволинейные координаты точки Р на винтовой поверхности; R – радиус фрезбарабана, м; – угол подъема винтовой линии; – угол установки лезвия.

Конволютная винтовая поверхность рассредоточена относительно передней грани лезвия рабочего органа. Это позволяет растянуть процесс отделения стружки по времени и существенно снизить колебания нагрузки в элементах привода. В общем виде параметрические уравнения поверхности запишутся:

(8)

где a – радиус основного цилиндра, м; – текущая координата (угол поворота) или переменный угло­вой параметр; u – переменный линейный параметр, для конволютной поверхнос­ти , , м; – угол установки направляющей линии поверхности к радиусу фрезбарабана R; – угол подъема винтовой линии.

Поиск рациональной конструкции бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом, который не имел бы недостатков, присущих круглым дискам с различным их расположением в пространстве, привел нас к плоскому диску эллиптической формы, из которой для рабочего элемента была взята четвертая часть. Для обеспечения лучшего качества работы и уменьшения энергозатрат соотношение осей эллипса должно строго согласовываться с отклонением диска в поперечно-вертикальной плоскости:

(9)

где аэ и сэ – соответственно малая и большая полуоси эллипса, м; – угол отклонения большой полуоси эллипса от вертикали.

Математическое выражение поверхности квадрантной пластины эллипса (лопасти) в параметрическом виде в системе координат x1y1z1 (рис. 2) можно записать в следующем виде:

(10)

где – половина диаметра малой полуоси эллипса; – подвижный угловой параметр, =0…/2; – угол наклона большой полуоси к плоскости вращения малой.

Для синтеза различных АРО применительно к условиям функционирования получены общие уравнения движения точек с произвольно расположенной в пространстве осью вращения:

X=X0+f1(t)+Ricoscos(+t)+Risinsinsin(+t) – Ritgcossin;

Y=Y0+f2(t)+Ricossin(+t)+Ritgsin; (11)

Z=Z0+f3(t)+Risincos(+t) – Risincossin(+t)+Ritgcoscos,

где X, Y, Z – оси неподвижной системы координат; X0, Y0, Z0 – начальные координаты подвижной системы координат в неподвижной; f1(t), f2(t), f3(t) – законы движения подвижных систем координат по осям неподвижной системы; Ri – радиус рассматриваемой точки; – угол атаки оси вращения активных рабочих органов, град; – угол наклона оси вращения активных рабочих органов к горизонту, град; – начальный угол поворота точки, град; – угловая скорость, рад·с–1; t – время, с; – угол между радиус-вектором точки и плоскостью, перпендикулярной к оси его вращения, град.

Уравнения движения точек АРО фрез представляют собой кинематические поверхности. В координатах (u,) для уравнения (4) запишется:

(12)

или в координатах (, ):

(13)

Полученные уравнения позволяют установить траекторию движения рабочего органа и параметры подрезаемой стружки. Сечение кинематической поверхности АРО плоскостью, перпендикулярной оси вращения, отстоящей от плоскости ху на расстоянии n, дает параметрическое уравнение движения прямолинейной образующей рабочей поверхности:

(14)

Как следствие из уравнения (14) при n=0 можно получить уравнения движения прямолинейной образующей рабочей поверхности в плоскости xy, выражения траекторий конца лезвия, параметры стружки и явное уравнение следа режущей кромки рабочего органа а1б1 (рис. 3) на поверхности поля:

(15)

Анализ уравнения (15) показывает, что след режущей кромки рабочего органа в горизонтальной плоскости является прямой линией, угол наклона которой к направлению движения определяется зависимостью

tg = tg , (16)

где – кинематический показатель работы фрезы.

Из уравнения (15) можно определить длину l1=a1б1 (рис. 3) режущей кромки на горизонтальной поверхности (на поверхности поля):

. (17)

С учетом этого для винтовых рабочих поверхностей по сравнению с простыми Г-образными ножами можно оценить увеличение продолжительности отрезания стружки в горизонтальной плоскости:

, (18)

которое положительно влияет на динамику взаимодействия АРО с почвой.

Получены уравнения абсолютной скорости любой точки рабочего органа в координатах (u, ):

, (19)

Подставив значения и u=–Rcos , =R и =–(900 – ) в уравнение (19), получим выражение для абсолютной скорости движения точки режущей кромки АРО:

. (20)

Направления абсолютных скоростей точек рабочей поверхности в координатах (u, ) определим из выражений (12) и (20) по направляющим косинусам:

(21)

Аналогично получены выражения для определения скоростей и ускорений, действующих на нож АРО с конволютной винтовой поверхностью. На основании этих зависимостей разработаны алгоритм и компьютерные программы для проектирования винтовых рабочих поверхностей, приведенные в приложении к диссертационной работе.

Для формирования оптимальной формы гребня с учетом выражения (2) поверхность АРО опишется уравнениями

x=arcos(1– hобр/h)1/ncos/tga;

y=arcos(1– hобр/h)1/nsin/tga; (22)

z=arcos(1– hобр/h)1/n/a,

которые послужили для установления основных кинематических характеристик АРО: скорости, ускорения, направляющих косинусов, составляющих скоростей, ускорений, длины пути лезвия ножа и т. д.

С учетом условий функционирования определены параметры гребнеобразующего рабочего органа.

Для определения максимального диаметра барабана получено уравнение

Dmax=(1,2…1,4)(1 –)h. (23)

Его радиус с учетом того, что hобр=d (d – диаметр окружности, описывающей наибольший профиль программируемого клубневого гнезда в поперечно-вертикаль­ной плоскости), определяется из выражения

Rmax=(0,6…0,7)(1 –)h. (24)

Для hобр = 0,16 м диаметр барабана D = 193...225 мм или радиус R = 97...113 мм. Минимальный радиус

Rmin>S/2+ Rmax – hобр. (25)

На основании агротехнических требований и конструктивных особенностей привода АРО определены: Rmax=150 мм; Rmin=100 мм.

Ширина крыла ножа минимальная – Сmin>S; максимальная – Сmax> hобр –Rmin.

Пределы изменения кинематического показателя работы =3,14…6,28. Изменяя конструктивные и режимные параметры АРО в пределах агротехнических требований можно добиться заданных формы и объема гребня, максимально отвечающих параметрам клубневого гнезда картофеля.

Уравнение движения любой точки поверхности бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом для работы в качестве предплужника выразим в параметрическом виде:

x= cos(+ t) – Vмt;

y= sin (+ t); (26)

z= tg cos.

На основании уравнения (26) получены все кинематические характеристики активного предплужника: вид траектории, размеры отрезаемой стружки; форма поверхностей сечений с полем, дном борозды и координатными плоскостями; абсолютная скорость частиц почвы, подрезанных рабочим органом; значения направляющих косинусов углов наклона абсолютной скорости почвы относительно неподвижных осей координат x, y, z.

Для определения минимальной частоты вращения ротора активного предплужника получено уравнение:

, (27)

где – угол отброса частиц относительно горизонта.

Согласно уравнению (27) на рис. 4 построен график зависимости частоты вращения предплужника от кинематического параметра и угла склона 1. Из графика следует, что в пределах изменения = 2…8 и 1 = 0…9 при = 35 и h1/r = 0,5 минимальная частота вращения ротора, при которой обеспечивается транспортировка основной массы подрезанной почвы вверх по склону в открытую борозду, должна быть не менее = 12…26 рад/с. В этом случае минимальная скорость подрезанной почвы в плоскости yOz Vzy= 2,4…5,2 м/с.

Для оценки взаимодействия лопастного активного предплужника с почвой определен ее объем, деформируемый рабочим органом за некоторый промежуток времени t с момента его касания поверхнос­ти почвы до поворота на угол =t:

, (28)

а на рис. 5 представлен график его изменения.

Из уравнения (28) и из графика видно, что угол наклона большой полуоси квадрантных пластин эллипса к плоскости вращения малой определяет крутизну кривой. Интенсивность нарастания величины W зависит от ширины захвата b1=rtg и кинематического показателя . Увеличение b1 за счет r и приводит к росту W, а повышение снижает суммарный объем W и интенсивность его нарастания.

Рис.5. Изменение объема деформированной почвы в зависимости от угла поворота лопасти

Для обеспечения работы ножа без смятия его тыльной стороной необработанной почвы предложен метод определения оптимального угла его установки (рис. 6), основанный на физической сущности изучаемого явления, и получено уравнение

, (29)

где b – ширина крыла ножа.

В уравнение (29) входят все параметры, влияющие на величину угла установки. Указанное выражение проверено на конкретном примере и приемлемо для практических расчетов.

Отрезание почвенного пласта, при котором преодолевается его сопротивление, происходит почти мгновенно, приблизительно за 0,025…0,05 с. Скорость воздействия, или скорость удара, должна быть равна или больше скорости, которую может выносить почва. Она определяется по формуле:

(30)