ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН С РОТАЦИОННЫМИ АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ

где Vп – предельная скорость удара, м/с; е – предел пропорциональности почвы, МПа; g – ускорение свободного падения, м/с2 ; Е – модуль упругости, МПа; – плотность почвы, кг/м3.

До настоящего времени нет однозначного подхода к выбору конструкций АРО для почв различного сложения, влажности, физической спелости и т.д. Для описания скорости деформации трехфазного тела на основе реологической модели Фойгта получено выражение

(31)

где – деформация; t – время; в – коэффициент вязкости.

Из выражения (31) следует, что при приложении к телу мгновенной нагрузки его деформация будет значительно меньше, чем при продолжительном нагружении. Поэтому разрушение почвы под действием мгновенных (ударных) нагрузок происходит при малых деформациях как разрушение хрупкого тела.

Деформация переувлажненной почвы, описываемая реологической моделью Гука – Ньютона определяется по уравнению

(32)

где Т – время релаксации, . Из (32) следует, что с увеличением скорости нагружения растет напряжение, а с уменьшением времени релаксации слабее проявляются свойства твердого тела. Кроме того, для любого тела существует определенная скорость деформации пр, при которой внешние силы уравновешиваются внутренним сопротивлением. При предельной скорости деформации пр, когда внутренние силы станут больше внешних, произойдет разрушение как хрупкого тела с соответствующим ростом энергозатрат. Предельная скорость распространения напряжений для почв средней плотности (супесчаная, суглинистая) составляет 4…12 м/с. Рабочие скорости рабочих органов РПМ (фрез, ротационных плугов) соизмеримы с предельными скоростями деформации почвы.

Вышеизложенное показывает, что при пр больше скорости рабочего органа между его передней кромкой и фронтом волны деформации образуется разрушенная зона. В этом случае рабочий орган движется в почве, у которой уже нарушены внутренние связи между частицами. Если скорость пр равна или меньше скорости рабочего органа, последний движется в почве с ненарушенными связями, преодолевая большее сопротивление, чем при первом случае. Это характерно при резании переувлажненных, пластичных и луговоболотных почв. Следовательно, для таких почв критерием определения максимальной скорости движения рабочего органа является чистое без разрыва резание волокон растительных остатков и почвы. При этом скорость резания будет значительно превышать пр.

Сухие, старопахотные почвы следует разрушать ударными нагрузками. Для снижения энергоемкости активных рабочих органов при их обработке необходима предварительная подготовка, при которой повышается величина пр. Для этих целей целесообразно использовать наименее энергоемкие рыхлящие рабочие органы. Наибольший эффект можно получить при условии одновременной работы рыхлящих и активных рабочих органов, когда взрыхленная, поднятая пассивными рабочими органами почва сразу подается на ножи ротационного барабана.

Рассмотренные теоретические зависимости и полученные математические модели послужили основой для проектирования ротационных рабочих органов с винтовыми элементами для выполнения функций пропашного фрезерного культиватора, активного предплужника и гребнеобразователя.

В третьей главе «Силовые и энергетические параметры активных рабочих органов с винтовыми элементами» рассмотрены и получены силовые и энергетические характеристики активного гребнеобразующего рабочего органа, фрезерной секции культиватора и активного предплужника.

Получены формулы для расчета результирующих сил и их состав­ляющих, действующих на активный рабочий орган при гребнеобразовании, потребной мощности на резание и транспортировку почвы. Сила сопротивления резанию

Fр =Aрhобр/, (33)

где Aр – удельное сопротивление резанию почвы, Н·м/м3.

Си­ла сопротивления отбрасыванию

Fотб=(4,0…5,0)VoVмhобр, (34)

где Vo и Vм – окружная и поступательные скорости движения АРО, м/с.

Общая потребная мощность на резание и транспортировку почвы гребнеобразующим АРО рассчитывается по выражению

N={(1,11…1,17)(hобр – R/2·103)BPmд·[kр+

+0,5kотбnmHVм( – 1)2] – (0,83…0,89)·FX}Vм, (35)

где R = Rmax – Rmin ; mд и mH – соответственно количество дисков и ножей на культиваторе; kP – коэффициент удельного сопротивления резанию; kотб – коэффициент отбрасывания почвы, равный отношению массы отброшенной почвы к массе срезанной; n – плотность почвы, кг/м3; FX – усилие на крюке, кН.

Уравнение (35) отражает зависимость общей мощности N от технологических параметров гребнеобразования hобр и BP. Если в (35) подставить (1) и (2), то получим зависимость N от формы и параметров гребня.

На основе моделирования процесса деформации почвы АРО весь процесс отделения (резания) почвенной стружки и его транспортировку в направлении открытой борозды можно условно разбить на три этапа.

Первый – от момента касания малой полуоси поверхности почвы до ее внедрения на глубину h1. На этом этапе крутящий момент, подводимый к валу ротора, расходуется на преодоление смятия и трения поверхности рабочего органа о почву.

Второй – от момента заглубления малой полуоси до пересечения ее с траекторией идущего впереди ножа. Этот этап характеризуется наличием сопротивления от напряжения сдвига и трения почвы. В этот период начинается сдвиг подрезаемой стружки в направлении открытой борозды.

Третий – с начала пересечения малой полуосью рабочего органа траектории впереди идущего ножа до пересечения ее большой полуосью. Продолжается сдвиг стружки и ее отбрасывание через оставшуюся бровку в открытую борозду, образованную передним корпусом плуга. Подводимый момент расходуется на преодоление сил сопротивления от деформации сдвига, трения и отбрасывания почвы.

С учетом вышеизложенного определены силовые и энергетические параметры активного предплужника. Мощность для привода рабочего органа активного предплужника

(36)

где Асм, Асд, Аотб – соответственно работы по преодолению сил сопротивления от деформаций смятия, сдвига и отбрасывания; q – коэффициент объемного смятия почвы; f – коэффициент трения почвы по поверхности рабочего органа; – продолжительность отрезания одной стружки по углу поворота.

Реакции резания на рабочем органе относительно подвижных осей координат будут равны:

1) при внедрении рабочего органа –

(37)

2) сдвиге подрезаемой стружки –

(38)

3) отбрасывании почвы –

(39)

Полученные зависимости (37) – (39) позволяют проследить динамику изменения реакций, действующих при отрезании стружки на секцию предплужника. Составляющие реакций резания в плоскости xOy зависят от положения рабочего органа в момент резания. Осевая составляющая резания не зависит от момента фазы резания, а определяется видом доминирующего сопротивления. Направления вертикальных составляющих при внедрении рабочего органа и отбрасывании почвы противоположны.

В четвертой главе «Динамика тягового сопротивления РПМ» рассмотрены вопросы влияния составляющих усилий резания на устойчивость работы, тяговое сопротивление и трансмиссию привода машины. На примере тепличной фрезы ФС-0,85 выполнен динамический анализ фрезбарабана. Дана оценка воздействия защитного кожуха на тяговое сопротивление ротационной почвообрабатывающей машины. Рассмотрены вопросы динамики и определения собственных частот крутильных колебаний элементов трансмиссии, влияния гироскопического эффекта на устойчивость фрезы.

Надежность работы ротационной почвообрабатывающей машины во многом зависит от характера энергетических потоков, циркулирующих в трансмиссии привода АРО. Подталкивающее действие рабочих органов, равное горизонтальной составляющей реакции почвы для всего барабана, определяется суммой

(40)

где Frn и Frm – нормальная и касательная составляющие реакций резания, приложенные к концу стойки рабочего органа; – угол, определяющий положение ножа в почве относительно горизонта; i=/ – число ножей, одновременно находящихся в зоне контакта с почвой, – суммарный угол контакта ножа с обрабатываемой почвой; – сдвиг фаз между последовательно врезающимися рабочими органами.

Вычисление Frt по формуле (40) громоздко и неудобно. Кроме того, при этом получаем необходимое значение только для одного фиксированного положения барабана. Поэтому на рис. 7 показано более простое графическое определение величины Frt путем последо­вательного сложения ординат диаграмм, построенных с угловым сдвигом, равным смещению между последовательно врезающимися ножами. Результирующая кривая выражает величину и закономерность измене­ния второй составляющей тягового сопротивления РПМ – подталкивающего действия Frt.

В результате графоаналитического исследования работы ротационной почвообрабатывающей фрезы ФС–0,85 выявлено значительное колебание угловой скорости на валу двигателя. Расчетный коэффициент неравномерности превышает допускаемый [] = 0,2 в 2,25 раза. Это вызывает высокие динамические нагрузки в системе привода, на раме машины, приводит к нарушению технологического процесса обработки почвы. Для устранения выше указанных недостатков, предложены устройства к почвообрабатывающим фрезам, которые представляют собой кинетические аккумуляторы энергии.

Таким образом, размещение ножей на валу барабана полевой фрезы влияет на изменение приводного момента и равномерный ход машины. Рекомендации отечественных и зарубежных исследователей не решают данную проблему. Они не учитывают конструктивные па­раметры ножей, которые определяют расстояние между дисками, про­должительность отрезания стружки, число ножей, однов­ременно выполняющих технологический процесс. Поэтому для сниже­ния колебания крутящего момента на валу привода барабана с уче­том конструктивных параметров ножей необходимо уточнение их размещения на валу ротора. С учетом этого предложен метод размещения ножей на валу фрезбарабана, а для его оценки получено выражение

(41)

где , – соответственно суммарное число ножей на фрезбарабане … находящихся в контакте с почвой; Р – параметр винтовой линии; bн – ширина захвата одного ножа, равная половине расстояния между двумя дисками, м; i –количество витков; н – угол смещения крепления ножей на соседних дисках; тд – число дисков для крепления ножей на барабане.

Уравнение (41) характеризует устойчивость ротора фрезы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При

С целью определения параметров отражательного кожуха, снижения коэффициента отбрасывания и энергозатрат изучен механизм отбрасывания почвен­ных частиц активными рабочими органами и исследована природа образования подталкивающего действия рабочих органов фрез, добавочного сопротивления защитного кожуха при отражении потока отброшенных рабочими органами почвенных частиц.

Добавочное тяговое сопротивление для упругого и неупругого удара, создаваемое защитным кожухом фрезерной почвообрабатывающей машины, в зависимости от режима работы, формы кожуха и физико-механических свойств обраба­тываемой почвы определяется выражениями, полученными расчетным методом

(42)

где г – коэффициент, учитывающий необработанный объем гребней на дне борозды; – угол полета частиц относительно горизонта; – угол падения частицы на поверхность кожуха при ударе; – коэффициент восстановления при ударе, определяющий отношение проекций скорости частицы на нормаль к поверхности кожуха в точке удара в его начале (Vn) и конце (un), ; – коэффициент мгновенного трения при ударе.

Полученные уравнения (42) позволяют найти подход к установлению параметров и определить рациональную форму защитного кожуха в зависимости от режима работы фрезерной машины.

Переменные параметры формы кожуха изменяют угол падения частиц, от­брасываемых рабочими органами фрезы, способствуют дополнительному рыхлению почвы и возникновению сил воздействия на фрезу. Определим, при каких углах падения частиц реакция кожуха будет иметь экстремальные значения. Реакция кожуха имеет максимальную величину при 1=0:

(43)

где * – секундный расход массы почвенных частиц, ударяющихся о внутреннюю поверхность кожуха.

При угле падения 2=/2, т.е. когда скорость частицы направ­лена по касательной к кожуху, реакция кожуха имеет минимальную величину:

(44)

На основе полученных результатов можно заключить, что по ус­ловию уменьшения добавочного тягового сопротивления, создаваемого защитным кожухом в процессе работы фрезерной машины, наилучшей его формой будет та, у которой угол падения отбрасываемых частиц наибольший. Поэтому форма направляющего кожуха для фрезы конкретного целевого назначения должна иметь индивидуальное оформление.

С учетом рис. 8 получено уравнение относительного движения почвенной частицы по поверхности рабочего органа непосредственно перед отбрасывани­ем:

(45)

где – угол трения.

Постоянные интегрирования С1 и С2, входящие в (45), определяются по начальным условиям. Кадры скоростной киносъёмки показали, что в начальный момент относитель­ную скорость почвенных частиц можно принять равной нулю. Начальное положение частиц совпадает с передним режущим краем лезвия, т.е. 0= 0 и = 0. Тогда

(46)

Как видно из выражения (45), скорость относительного движе­ния частицы по поверхности ножа зависит от угловой скорости и ра­диуса барабана, коэффициента трения почвы о поверхность рабочего органа, а также формы ножа. Эти факторы способствуют изменению направления и скорости отбрасываемых частиц, которые в полете образуют расходящийся почвенный веер. Поэтому можно утверждать, что уравнение (45) описывает движение центра поперечного сечения потока отбрасываемых частиц.

С целью исследования нагруженности трансмиссии фрезы с учетом крутильных колебаний была составлена ее эквивалентная схема в виде трехмассовой системы. Для ее элементов предварительно определяли жесткости участков валов и момен­ты инерции сосредоточенных масс. Для трехмассовой системы (рис. 9 а) получено уравнение, характеризующее частоту собственных колебаний и их форму:

(47)

где J1, J2, J3 – моменты инерции вращающихся масс системы сило­вого привода фрезы, соответственно фрезбарабана, трансмиссии и двигателя; с1,2, с2,3 – жесткости валов, связывающих сосредоточенные массы.

Полученное уравнение (47) является кубическим относительно 2, и один из его корней, соответствующий возможности вращения вала как жесткого тела без кручения или же с постоянной величиной деформации, равен нулю, остальные два корня можно найти из выражения, стоящего в фигурных скобках в (47), приравняв его к нулю. Меньшему положительному значению 12 соответствует одноузловая форма колебаний, большему положительному значению 22 – двухузловая форма крутильных колебаний. Задаваясь а1 = 1 и зная значения 12 и 22, находим относительные амплитуды двух других масс а2 и а3 для каждой из двух частот. Это позволяет графически изобразить обе формы колебаний: одноузловую и двухузловую (рис. 9 б, в).

При меньшем 12 отношения амплитуд а2 и а3 положительны, а а3 – отрицательно. Это говорит о том, что в процессе колеба­ний в системе трансмиссии почвообрабатывающей фрезы двигатель и редуктор совершают вращение в одну сторону, тогда как барабан вращается относительно первых двух в противоположном направлении. В случае же большего корня 22 имеем а20. В случае этих колебаний среднее звено в эквивалентной системе трансмиссии (вторая сосредоточенная масса, приведенная к редуктору) совер­шает крутильные колебания в направлении, противоположном колебаниям первого и третьего звеньев. Этим формам соответ­ствуют колебания, показанные на рис. 9 б, в. Таким образом, наиболее приемлемой является одноузловая форма колебаний, при которой их относительная амплитуда уменьшается, но возможны значительные деформации элементов привода ротора фрезы.

Рассмотрим прохождение через резонанс при крутильных колеба­ниях трехмассовой системы, к которой мы привели систему трансмиссии почвообрабатывающей фрезы. Получены уравнения вынужденных крутильных колебаний трехмассовой системы с учетом принятых допущений в операторной форме:

(48)

Пользуясь методами операционного исчисления, находим изображения, по которым в дальнейшем определяем 1(p) и 1(p), их оригиналы 1 и 2, а по ним – функции 1(t), 2(t), 3(t).

В пятой главе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлены цель, задачи и методика проведения экспериментальных исследований, приведено описание оборудования и приборов, с помощью которых получены результаты.

В шестой главе «Экспериментальное обоснование параметров ротационных АРО почвообрабатывающих машин» представлены результаты исследований.

Лабораторные исследования. С целью предварительного выбора типов рабочих органов для предпосадочной обработки почвы, нарезки гребней и окучивания про­пашных культур на малом почвенном канале была проведена серия отсеивающих экспериментов с моделями активных рабочих органов по критерию качества почвообработки и транспортирующей способности.

В качестве рыхлящих рабочих органов исследовались макетные образцы, имеющие винтовую эвольвентную поверхность с углами подъема винтовой линии режущей кромки 300, 450, 600, а в качестве гребнеобразующих – рабочие органы, крылья которых выполнены в виде части поверхности эллиптического цилиндра.

Установлено, что по качеству рыхления наилучшие показатели имеют рабочие органы с эвольвентной винтовой поверхностью с углом =450, по транспортирующей способности – с углом =300, по способности вертикального перемешивания – с углом =600. В то же время наименее энергоемким является рабочий орган с углом =30, а наиболее энергоемким – с углом =60°.