На правах рукописи ЧАТКИН Михаил Николаевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

advertisement
На правах рукописи
ЧАТКИН Михаил Николаевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
КОМБИНИРОВАННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН
С РОТАЦИОННЫМИ АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства (технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Саранск – 2008
Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин ГОУВПО
«Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева»
Официальные оппоненты:
– доктор технических наук профессор
– доктор технических наук профессор
– доктор технических наук профессор
Акимов А. П.;
Матяшин Ю. И.;
Бычков В. В.
Ведущая организация – Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (ГНУ ВИМ)
Защита состоится 15 мая 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 в ГОУВПО "Мордовский государственный университет
имени Н. П. Огарева" по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д.
5.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.
Автореферат разослан
____ _____________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
В. А. Комаров
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На современном этапе остается острой проблема повышения качества выполнения технологических операций и эффективности использования машинно-тракторных агрегатов (МТА) при обработке почвы с использованием энергонасыщенных тракторов. Поэтому по-прежнему злободневны вопросы расширения применения ротационных почвообрабатывающих машин (РПМ) с активными рабочими органами (АРО) с приводом от механизма
отбора мощности (МОМ) трактора. АРО небольшой массы выполняют технологические функции на скоростях, в 3…8 раз превышающих скорость МТА.
Это значительно снижает затраты на перемещение «мертвых масс» агрегата, не
участвующих в выполнении полезной работы. При этом составляющие технологических сопротивлений создают подталкивающее усилие, разгружая узкое
звено в системе «почва – движитель трактора», повышая эффективность использования агрегата.
Стандартный подход к выбору конструктивно-технологических параметров АРО является причиной их высокой энергоемкости, низкой производительности, слабой надежности, что сдерживает их повсеместное применение. Поэтому изыскание путей сокращения энергетических, трудовых и материальных
затрат при обработке почв с использованием приводных РПМ является актуальной и важной хозяйственной проблемой.
Другим не менее важным вопросом, связанным с созданием комбинированных РПМ нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателями, негативно влияющим на качественные и технические показатели работы МТА, является отсутствие общепринятой методологии синтеза АРО для
определенных условий функционирования, получения силовых, энергетических
параметров.
Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований
ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» и
соответствует научному направлению РАСХН по проблеме 09 «Разработать
высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса в сельском хозяйстве» (задание 09.01); региональной научно-технической программой «Агрокомплекс» (1986–1990 гг. и на период до 2000 г.); единым заказ-нарядом
Министерства образования Российской Федерации по госбюджетным темам
№ 53/15–89 «Оптимизация технологических процессов и параметров почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами» и № 53/8–93 –
«Повышение технического уровня ротационных почвообрабатывающих машин»; программой развития АПК Республики Мордовия до 2010 года.
Цель работы: повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин путем оптимизации конструктивнотехнологических параметров ротационных активных рабочих органов по критериям качества выполнения работы, энергосбережения, динамической загруженности
и устойчивости.
2
Предмет исследования: качественные и количественные взаимосвязи ротационных активных почвообрабатывающих рабочих органов с обрабатываемой
средой с учетом специфических кинематических и динамических особенностей их
работы в составе машинных агрегатов.
Объект исследования: активные ротационные рабочие органы фрез, бороздообразующие, гребнеобразующие лопасти с винтовыми режущими элементами, комбинированные почвообразующие машины.
Научную новизну работы составляют:
–классификация рабочих органов почвообрабатывающих машин по степени свободы движения;
– принципы оптимизации параметров формирования гребней при возделывании картофеля;
– методология, аналитические методы и программное обеспечение расчета
основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми элементами, их силовых и энергетических характеристик, оптимального угла установки лезвия ножа;
– математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;
– методика качественного анализа силового взаимодействия активных рабочих органов с почвой;
– аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие на стадии
проектирования выявить и снизить энергозатраты на отбрасывание почвенных
частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез;
– математические модели и технические решения по снижению пиковых
динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;
– результаты экспериментальных исследований опытных образцов активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;
Новизна разработанных технических решений подтверждается 9 авторскими свидетельствами и патентами на оборудование, рабочие органы и почвообрабатывающие машины.
Практическая ценность результатов исследования состоит в развитии
научных основ земледельческой механики, методов и средств, с помощью которых можно разработать и получить:
– РПМ с улучшенными технологическими, динамическими и техникоэкономическими характеристиками для предпосевной подготовки почвы, формирования гребней и междурядной обработки пропашных культур;
– комбинированный лемешно-отвальный плуг с активными лопастными
предплужниками для вспашки склонов;
– расчетные параметры фрезбарабана, отражательного кожуха ротационной почвообрабатывающей машины для сплошной обработки почвы;
3
– оптимальные конструктивно-технологические параметры активных рабочих органов для формирования гребней, бороздообразования, работы в качестве предплужника и для поверхностной подготовки почвы;
– почвообрабатывающие фрезы с улучшенными динамическими характеристиками привода и с механическими аккумуляторами кинетической энергии.
Реализация результатов исследований осуществлялась путем использования научными организациями и производственными подразделениями, а
именно: Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики
Мордовия (РМ) при разработке республиканских программ технического переоснащения АПК; ГНУ «Мордовский НИИ сельского хозяйства» (г. Саранск)
при совершенствовании технологии и оборудования для выполнения полевых
механизированных работ путем внедрения в его опытных хозяйствах комбинированного культиватора с универсальными рабочими органами для нарезки
гребней и междурядной обработки посадок картофеля в ОНО ОПХ «Ялга» и
плуга с активными предплужниками в ОНО ОПХ «1-е Мая»; ОАО «Авторемонтный завод “Саранский”» (г. Саранск) при разработке новых рабочих органов и узлов сельскохозяйственных машин; применения в учебном процессе
ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева»,
ФГОУВПО «Чувашская ГСХА», ФГОУВПО «Рязанская ГАТУ», ФГОУВПО
«Самарская ГСХА» по направлению «Агроинженерия» при изучении дисциплин «Сельскохозяйственные машины», «Технологические машины и оборудование», раздела «Машины и оборудование в растениеводстве»; чтении лекционных курсов, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении
курсовых и дипломных проектов, в создании новых математических моделей и
разработке оригинальных активных рабочих органов, изучении процесса их
взаимодействия с почвой.
Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в
приложении к работе.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях «Огаревские чтения» ГОУВПО
«МГУ имени Н. П. Огарева» (Саранск, 1981 – 2007 гг.), на зональных научнопрактических конференциях кафедр «Тракторы и автомобили» сельхозвузов
Поволжья и Предуралья (Чебоксары, Рязань, Нижний Новгород, Пенза, 1983 –
2007 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Современные
технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (Саранск, 2002 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ доктора технических
наук профессора В. И. Медведева, «Совершенствование технологий, средств
механизации и технического обслуживания в АПК» (Чебоксары, 2003 г.), конференциях профессорско-преподавательского состава Самарской ГСХА (Кинель, 1994, 1995 г.), научно-технической конференции «Долговечность и эксплуатационная надежность материалов, элементов, изделий и конструкций»
(Саранск, 1987 г.).; научно-технической конференции «Эффективность использования машиностроительного оборудования» (Саранск, 1991 г.); Международ4
ной научно-практической конференции «Совершенствование рабочих органов
сельхозмашин и агрегатов» (Барнаул, 1994 г.); Международной научнопрактической конференции памяти академика В. П. Горячкина (МГАУ, Москва,
1998 г.); республиканской научно-практической конференции «Роль науки и
инноваций в развитии хозяйственного комплекса РМ» (Саранск, 2001 – 2007
гг.); на Международной научно-технической конференции «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (Саранск, 2001
г.); Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск,
2004 г.); семинаре заведующих кафедрами сельскохозяйственных машин на тему «Совершенствование содержания и технологии обучения студентов по сельскохозяйственной технике» (Краснодар, 2005 г.); на научной сессии Россельхозакадемии (секция № 3) «Машинные технологии и техника нового поколения
для интенсификации и экологизации земледелия» (Зерноград, 2006 г.).
Публикации. Всего автором по теме диссертации опубликовано 75 научных работ объемом 42,7 п.л., в том числе 61 статья в журналах и сборниках,
5 – в рекомендованных ВАК РФ, одна монография, получено 9 патентов и свидетельств об изобретениях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав,
общих выводов и приложения, изложена на 385 страницах, включает 16 таблиц,
131 рисунков и список литературы из 346 наименований.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Классификация почвообрабатывающих рабочих органов по степени
свободы движения.
2. Оптимизационная модель формирования гребней, расчета ее параметров при возделывании картофеля и синтеза АРО с винтовыми элементами.
3. Методология, аналитические методы и программное обеспечение для
расчета основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций
почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми
элементами, силовые и энергетические характеристики АРО, фрезерных культиваторов различного функционального назначения и активного предплужника.
4. Математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин.
5. Модель взаимодействия активных рабочих органов с почвой.
6. Аналитические и экспериментальные зависимости по моделированию
отбрасывания почвенных частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез, позволяющие на стадии проектирования выявлять и снижать
энергозатраты на этот процесс.
7. Методы, математические модели и технические решения по снижению
пиковых динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов
почвообрабатывающих машин.
8. Результаты экспериментальных исследований оригинальных конструкций опытных образцов почвообрабатывающих машин.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность рассматриваемой темы, ее связь с государственными программами НИР, обосновано хозяйственное и научное значение проблемы, представлена информация о реализации результатов исследований и приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Современное состояние проблемы и основные задачи
исследования» рассмотрены методологические основы прогнозирования и развития мобильных сельскохозяйственных агрегатов и систем, требования к обработке почвы и принципы классификации рабочих органов для выполнения
технологических операций с использованием почвообрабатывающих машин с
АРО с приводом от МОМ трактора. С целью оценки перспектив применения
активных рабочих органов для выполнения различных технологических операций выявлены особенности основной обработки почвы на склонах и технологии
возделывания картофеля на гребнях. Проведен обзор НИР по ротационным
почвообрабатывающим машинам и предложена классификация почвообрабатывающих машин по степени свободы движения.
В большинстве МТА так называемые "мертвые" массы, которые не соприкасаются с обрабатываемым материалом, составляют 85–95 % от их общей массы. Дальнейший рост производительности МТА для обработки почвы должен
обеспечиваться за счет интенсивного автономного перемещения исполнительных рабочих органов в пространстве по отношению к центру масс агрегата.
При этом путь и скорость перемещения рабочих органов выше по сравнению с
теми же параметрами центра масс агрегата. Этим условиям удовлетворяют почвообрабатывающие агрегаты с ротационными активными рабочими органами.
Исследования показывают, что по эффективности обработки, особенно тяжелых по механическому составу почв, РПМ не имеют равных и занимают особое место в системе подготовки почвы и обработке посевов пропашных культур. Кроме отличного выполнения своих технологических функций, они способствуют снижению тягового сопротивления движению агрегата. Наиболее
перспективными являются комбинированные фрезерные почвообрабатывающие машины с пассивно-активными рабочими органами. Сдерживающими факторами повсеместного применения почвообрабатывающих фрез большинство
исследователей считают высокую энергоемкость процесса фрезерования почв,
большие динамические нагрузки элементов привода, снижающие технологическую и техническую надежность МОМ тракторов и самих машин. Поэтому
РПМ используются в условиях, где для них нет альтернативы по эффективности обработки почвы.
В диссертации дано обоснование использования АРО при выполнении
различных технологических операций обработки почвы. Наиболее проблематичной является работа почвообрабатывающих машин на склонах. Вопросами
совершенствования рабочих органов и оценкой качества работы почвообрабатывающих машин на склонах занимались А. Т. Вагин, А. Ч. Хачатрян,
В. И. Медведев, И. М. Панов, Л. Х. Ким, А. Д. Кормшиков, В. А. Лаврухин и др.
В результате анализа выявлены основные направления совершенствования
машин для основной обработки почвы. Установлена возможность повышения
6
качественных и технико-экономических показателей лемешно-отвального плуга на склоне путем оснащения активными предплужниками с приводом от
МОМ трактора. Доказана целесообразность применения лопастных эллипсовидных активных рабочих органов с винтовыми элементами.
В технологии возделывания картофеля важное место отводится созданию
условий для формирования урожая картофеля с использованием фрезерных
почвообрабатывающих машин. С их помощью происходит образование гребней, междурядная обработка посадок. Однако вопросы формирования гребней
определенных размеров в зависимости от почвенных условий остаются нерешенными.
В работах Б. А. Писарева, Д. В. Заикина, А. И. Замотаева рассматриваются приемы предпосадочной обработки почвы, в том числе гребневых технологий возделывания картофеля. Однако до настоящего времени нет однозначного
подхода к обоснованию формы и параметров гребней в зависимости от условий
возделывания, запрограммированной урожайности, размеров клубневых гнезд.
Отсутствие общепринятой методологии синтеза АРО для определенных
условий их функционирования ставит проблему создания комбинированных
РПМ нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателями. Это негативно влияет на качественные и технические показатели работы
МТА и не позволяет получить на стадии проектирования силовые, энергетические параметры АРО. Предложен алгоритм их синтеза, которому предшествует
изучение условий их функционирования и агротехнических требований к выполнению технологических операций.
Анализ применения РПМ показал недостаточные использование и изученность наиболее перспективных АРО, режущая или технологическая, транспортирующая часть которых содержит элементы винтовой поверхности. Из их
многообразия мы выделили ножи с винтовыми и эллипсовидными рабочими
элементами. Главная особенность этих рабочих органов – строгое математическое описание поверхностей и возможность получения зависимостей, содержащих конструктивные параметры, режимные характеристики АРО, упрощающие их проектирование. Изменяя конструктивные параметры ножей и режимы работы, можно получить различные по назначению рабочие органы.
Научной основой работ по совершенствованию процессов активной почвообработки с использованием фрезерных машин являются труды В. П. Горячкина, В. А. Желиговского, П. М. Василенко, А. Д. Далина, А. И. Тимофеева,
В. И. Медведева, И. М. Панова, Н. Б. Бока, Ю. Ф. Новикова, А. Н. Гудкова,
В. В. Кацыгина, Г. Н. Синеокова, В. И. Виноградова, А. С. Кушнарева,
П. В. Павлова, П. Т. Бабий, В. А. Шмонина, М. Д. Подскребко, Ф. М. Канарева,
Л. С. Зенина, О. С. Марченко, В. Зоне, Г. Бернацкий, Е. П. Яцука, И. М. Гринчука, Ю. И. Матяшина, А. И. Лещанкина, П. И. Макарова, В. В. Бычкова,
А.П Акимова и др.
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 за7
хвата 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
8
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:
 n  1 B n2

;
hобр  h1 
cos
ax

dx



nB 0


(1)
9
1
 hобр  n
В
 ,
ВP 
arccos1


n 


(2)
где x – абсцисса точек профиля гребневого поля, м; h – высота гребня, м; n = 0,
2, 4, 8… – показатель степени; a  2 / B – 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 τ 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– b 2  a 2  h12 ,
(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:
10
x  R sin  cos  u sin  ; 

y  R sin  sin   u cos ;

z  Rtg   ;

в явной форме
z
z
x cos
 y sin
 R sin   0 ;
Rtg
Rtg
в цилиндрических координатах (z, ρ, φ)
y
R sin 
z  Rtg (arctg  arccos
);
2
2
x
x y
при помощи круговых векторных функций
R sin 
r    e( )  Rtg (  arccos
k,

(4)
(5)
(6)
(7)
где u,  и ρ, φ – криволинейные координаты точки Р на винтовой поверхности;
R – радиус фрезбарабана, м; τ – угол подъема винтовой линии; γ – угол установки лезвия.
Конволютная винтовая поE E1
Y
О
верхность рассредоточена относиθ
тельно передней грани лезвия рабоρ
v
чего органа. Это позволяет растянуть
B
φ
Б
процесс отделения стружки по вреP
Z
Б
1
u
γ
мени и существенно снизить колеба- B
X π/2
1
C
γ
ния нагрузки в элементах привода. В
B0 P0
P1
А
общем виде параметрические уравC1
нения поверхности запишутся:
x  a cos  u sin  ; 
А1

y  a sin   u cos ;

Рис.1. Схема к определению уравнения поz  Rtg   ;

верхности рабочего органа
x  R sin(   ); 

y   R cos(   );
(8)

z  Rtg   ,

где a – радиус основного цилиндра, м;  – текущая координата (угол поворота)
или переменный угловой параметр; u – переменный линейный параметр, для
конволютной поверхности u   R cos , a  R sin  , 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
11
энергозатрат соотношение осей эллипса должно строго согласовываться с отклонением диска в поперечно-вертикальной плоскости:
аэ  сэ cos  ,
(9)
где аэ и сэ – соответственно малая и большая полуоси эллипса, м; β – 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:
x1   cos ; 

y1   sin  ; 
(10)
z1   costg ,
где ρ – половина диаметра малой полуоси эллипса; φ – подвижный угловой параметр, φ=0…π/2; β – 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)+Ricosψcos(φ+ωt)+RisinΘsinψsin(φ+ωt) – RitgσcosΘsinψ;
Y=Y0+f2(t)+RicosΘsin(φ+ωt)+RitgσsinΘ;
(11)
Z=Z0+f3(t)+Risinψcos(φ+ωt) – RisinΘcosψsin(φ+ωt)+RitgσcosΘcosψ,
где X, Y, Z – оси неподвижной систеy1
мы координат; X0, Y0, Z0 – начальные
y
y
y1
координаты подвижной системы координат в неподвижной; f1(t), f2(t),
ωt δ2
f3(t) – законы движения подвижных
систем координат по осям неподвижz z1
ной системы; Ri – радиус рассматриφ M
M1
ω,
O
ваемой точки; ψ – угол атаки оси
рад/с
z z1
O1
вращения активных рабочих органов,
β
град; Θ – угол наклона оси вращения
активных рабочих органов к горизонту, град; φ – начальный угол поворота
точки, град; ω – угловая скорость,
xx1
–1
рад·с ; t – время, с; σ – угол между
радиус-вектором точки и плоскостью, Рис. 2. Схема к определению уравнения двиперпендикулярной к оси его враще- жения точки рабочей поверхности бороздообразующей лопасти с винтовым режущим
ния, град.
элементом
Уравнения движения точек
АРО фрез представляют собой кинематические поверхности. В координатах (u , ) для уравнения (4) запишется:
X  R sin  cos(  t )  u sin(  t )  V м t ;

Y   R sin  sin(  t )  u cos(  t );
(12)


Z  Rtg   ,

12
или в координатах (ρ, φ):
r  (  cost  VM t cos )e( )  (  sin t  VM t sin  ) g ( ) 
 Rtg (  arccos
R sin 

(13)
)k .
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:
n
n

x  R sin  cos(
 t )  u sin(
 t )  Vмt ;
Rtg
Rtg

(14)

n
n

y  R sin  sin(
 t )  u cos(
 t ).

Rtg
Rtg
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:
V
Rh
Z
(15)
X  h(2R  h)  м (  arccos

).

R
Rtg
Анализ
уравнения
(15) показывает, что
след режущей кромки
рабочего органа в горизонтальной плоскости является прямой линией, угол η
наклона которой к
направлению движения определяется зависимостью
tg η=λ tg τ,
(16)
Vо
Рис. 3. Схема к определению параметров стружки
где  
– кинеVм
матический показатель работы фрезы.
Из уравнения (15) можно определить длину l1=a1б1 (рис. 3) режущей
кромки на горизонтальной поверхности (на поверхности поля):
B
(17)
l1 
1  2 tg 2 .
tg
С учетом этого для винтовых рабочих поверхностей по сравнению с простыми Г-образными ножами можно оценить увеличение продолжительности
отрезания стружки в горизонтальной плоскости:
13
B
1  2tg 2 arctgtg
b  l1 cos
tg
t 

,
(18)
Vм
Vм
которое положительно влияет на динамику взаимодействия АРО с почвой.
Получены уравнения абсолютной скорости любой точки рабочего органа
в координатах (u, υ):
b
V  Vм2   2 ( R 2 sin 2   u 2 )  2Vм[u cos(u  t )  R sin  sin(  t ] , (19)
Подставив значения   0 и u=–Rcos γ, ρ=R и φ=–(900 – γ) в уравнение
(19), получим выражение для абсолютной скорости движения точки режущей
кромки АРО:
V  Vм2  Vо 2  2VмVo cos(  t ) .
(20)
Направления абсолютных скоростей точек рабочей поверхности в координатах (u ,  ) определим из выражений (12) и (20) по направляющим косинусам:
V
cos(V , i )  x 
V
Vо sin  sin(  t )  u cos(  t )  Vм

;
2
2 2
2
2
Vм   ( R sin   u )  2Vм[u cos(  t )  R sin  sin(  t )]
(21)
Vy
cos(V , j ) 

V
u sin(  t )  Vo cos(  t )

.
2
2 2
2
2
Vм   ( R sin   u )  2Vм[u cos(  t )  R sin  sin(  t )]
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/ncosφ/tgφa;
y=arcos(1– hобр/h)1/nsinφ/tgσa;
(22)
1/n
z=arcos(1– hобр/h) /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
14
n  1 B n2
cos axdx )h.
nB O
(23)
n  1 B n2
Rmax=(0,6…0,7)(1 –
cos axdx )h.
nB O
(24)
Dmax=(1,2…1,4)(1 –
Его радиус с учетом того, что hобр=d (d – диаметр окружности, описывающей
наибольший профиль программируемого клубневого гнезда в поперечновертикальной плоскости), определяется из выражения
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 λ=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= ρ cos(φ+ ωt) – Vмt;
y= ρ sin (φ+ ωt);
(26)
z= ρ tgβ cosφ.
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:
0,5
1
  bg / cos2 arcsin(1  h1 / r )  0,09 tg 2  sin 2 ,
(27)
r
где α – угол отброса частиц относительно горизонта.
 


15
Согласно уравнению
(27) на рис. 4 построен граω,
фик зависимости частоты
рад/с
вращения предплужника ω
от кинематического пара24
метра λ и угла склона β1. Из
графика следует, что в пре20
делах изменения λ = 2…8 и
16
β1 = 0…9º при β = 35º и h1/r
= 0,5 минимальная частота
12
9
вращения ротора, при которой обеспечивается транс6
2
4
портировка основной массы
2
β1
λ
6
подрезанной почвы вверх
8
по склону в открытую борозду, должна быть не меРис. 4. Зависимость минимальной частоты вращения ронее ω = 12…26 рад/с. В
тора ω от кинематического показателя λ и угла склона β1
этом случае минимальная
(β = 35º и h1/r = 0,5)
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 α=ωt:
h
rtg

(28)
W
{cos
 cosarcsin(1  1 )}[r 2  (r  h1 ) 2 ] ,
2
z (  1)
r
а на рис. 5 представлен график его изменения.
Из уравнения (28) и из графика видно, что угол β наклона большой полуоси квадрантных пластин
эллипса к плоскости вращения малой определяет
крутизну кривой. Интенсивность нарастания величины W зависит от ширины захвата b1=rtgβ и
кинематического показателя λ. Увеличение b1 за
счет r и β приводит к росту W, а повышение λ
снижает суммарный объем W и интенсивность
его нарастания.
Рис.5. Изменение объема деформированной почвы в
зависимости от угла поворота лопасти
16
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
  arccos
b(  2sin )  2 R 2 cos 1  2  2 sin 
,
(29)
2 R(1    2 sin  )
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 соvм
противление, происходит почти
y
мгновенно,
приблизительно
за
ω
0,025…0,05 с. Скорость воздействия,
B
vφ/ω vα/ω
или скорость удара, должна быть
равна или больше скорости, которую
vα/ω
может выносить почва. Она опредеx
α
β
O1 O2 O3
ляется по формуле:
φ
A
φ
g
α
(30)
Vп   е
,
α
α
E
где Vп – предельная скорость удара,
D
C1
м/с; σе – предел пропорциональности
C3
D1 C A1
C
2
B3
почвы, МПа; g – ускорение свободγ
2
γ
0
ного падения, м/с ; Е – модуль
упругости, МПа; γ – плотность почA3
вы, кг/м3.
До настоящего времени нет
Рис.6. Схема к определению угла
однозначного подхода к выбору
установки рабочего органа
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



E 
  0  1  exp( t ),
(31)
Е 
в 
2
h
′
где ε – деформация; t – время; ηв – 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 моде17
лью Гука – Ньютона определяется по уравнению


 t
   ЕТ  ( 0   ЕТ ) exp  , (32)
 Т

где Т – время релаксации, Т  в . Из (32) следует, что с увеличением скорости
Е
нагружения растет напряжение, а с уменьшением времени релаксации слабее
проявляются свойства твердого тела. Кроме того, для любого тела существует
определенная скорость деформации έпр, при которой внешние силы уравновешиваются внутренним сопротивлением. При предельной скорости деформации
έпр, 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 έпр 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 έпр 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 έпр.
Сухие, старопахотные почвы следует разрушать ударными нагрузками.
Для снижения энергоемкости активных рабочих органов при их обработке
необходима предварительная подготовка, при которой повышается величина
έпр. 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, по18
требной мощности на резание и транспортировку почвы. Сила сопротивления
резанию
Вp
Fр =Aрhобр
n
 cos axdx /λ,
o
где Aр – удельное сопротивление резанию почвы, Н·м/м3.
Сила сопротивления отбрасыванию
Вp
Fотб=(4,0…5,0)VoVмhобр  cosn axdx ,
(33)
(34)
o
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 – ΔR/2·103)BP∙mд·[kр+
+0,5kотбγnmHVм(λ – 1)2] – (0,83…0,89)·FX}Vм,
(35)
где ΔR = 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; γn – 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
19
N  Aсм  Aсд  Aотб  /  

 0,5qr 2 tgh1 cos arcsin 1  h1 / r 1  f / cos   sin   /  
 0,5 сдr 3 tg 2 1  f / f cos   sin   /  


  nr 4 tgkотб h1 2   12  tg 2 2 / 3 mн 

,

(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 –
Fсм x  Fсм sin   sin  /( f cos   sin  )  Fсм sin t /( fctg  1);

Fсм y  Fсм cost sin  /( f cos   sin  )  Fсм cost /( fctg  1); 
(37)

Fсм z  Fсм cos  /(cos   f sin  )  Fсм /(1  ftg );

2) сдвиге подрезаемой стружки –
Fсд  Fсд sin t /( fctg  1); 
x

Fсд y  Fсд cost /( fctg  1);
(38)

Fсд z  Fсд /(1  ftg );

3) отбрасывании почвы –
Fотб x  Fотб sin t /( fctg  1); 

Fотб y  Fотб cost /( fctg  1);
(39)

Fотб z  Fотб /(1  ftg ).

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 FZ 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 соб20
ственных 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 Frt для всего барабана, определяется суммой



Frt   Frm sin   (i  1)   Frn cos  (i  1)  ,
i 1
i
i
(40)
0
20
40
60
где Frn и Frm – нормальная и касательная составляющие реакций резания, приложенные к концу стойки рабочего органа; φ – угол, определяющий положение
ножа в почве относительно горизонта; i=θ/Δφ – число ножей, одновременно
находящихся в зоне контакта с почвой, θ – суммарный угол контакта ножа с
обрабатываемой почвой; Δφ – 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 втоFrt, Н
рой составляющей тягового соθ
противления РПМ – подталкиΔφ
вающего действия Frt.
В результате графоанали2
тического исследования работы
ротационной почвообрабатывающей фрезы ФС–0,85 выявлено
значительное колебание угловой
скорости на валу двигателя. Рас1
четный коэффициент неравномерности δω превышает допускаемый [δ] = 0,2 в 2,25 раза. Это
вызывает высокие динамические
нагрузки в системе привода, на
раме машины, приводит к нару0
30
60
90
φ, град
шению технологического проРис. 7. Графическое определение подталкивающе- цесса обработки почвы. Для
го действия барабана фрезы: 1 – подталкивающее устранения выше указанных недействие одного рабочего органа; 2 – суммарное достатков, предложены устройподталкивающее действие; θ – суммарный угол ства к почвообрабатывающим
контакта ножа с обрабатываемой почвой; Δφ – фрезам, которые представляют
сдвиг фаз между последовательно врезающимися собой кинетические аккумулярабочими органами
21
торы 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
m  m
 
1
m
mд
P
[2i   н  (mд  i )]
2bн
m 1
д
mд  mн
,
(41)
где mΣ , mΣ – 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; αн – 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 μ < 0,8 и небольшой ширине захвата фрезы
сторона барабана, ножи которой запаздывают при выполнении технологического процесса, является местом установки бокового редуктора механизма привода.
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 Ftkу и неупругого Ftkн
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
Ftky  k отб  n hB гVnV0 [(1   ) cos(   ) cos   sin(   ) sin  ];
(42)
Ftkн  k отб  n hB гVnV0 cos ,
где ηг – коэффициент, учитывающий необработанный объем гребней на дне борозды; α – угол полета частиц относительно горизонта; γ – угол падения частицы на поверхность кожуха при ударе;  – коэффициент восстановления при
ударе, определяющий отношение проекций скорости частицы на нормаль к по22
верхности кожуха в точке удара в его начале (Vn) и конце (un),  
un
; χ – коVп
эффициент 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 γ1=0:
maх
(43)
Rуд
  *V0 (1   ) 2 ,
где μ* – секундный расход массы почвенных частиц, ударяющихся о внутреннюю поверхность кожуха.
При угле падения γ2=π/2, т.е. когда скорость частицы направлена по касательной к кожуху, реакция кожуха имеет минимальную величину:
min
Rуд
 *V0 .
(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:
r
  С1  С2 е 2  tg t 
[cos(   )]t 
2 sin
(45)
g
cos(t     )  2tg sin(t     ),
 2
 (1  4tg 2 ) cos
где ψ – 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. η0= 0 и  0 = 0. Тогда
r cos cos(   )
g
С1 


4 sin 2 
2 2
cos  sin sin(   )  2tg [sin(   2 )  sin cos(   )

;
sin (1  4tg 2 )
23
С2 
r cos cos(   )

g

cos(   )  2tg sin(  )
(46)
.
4 sin 
2
sin  (1  4tg  )
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 расхоω
дящийся почвенный веер. Поэтому можно
утверждать, что уравнение (45) описывает
ξ
x
Vм
движение центра поперечного сечения потока отбрасываемых частиц.
1
С целью исследования нагруженности трансмиссии фрезы с учетом крутильМ/Фк
η
ных колебаний была составлена ее эквиваφ
b,О vr
γ Н/с
лентная схема в виде трехмассовой систеFтр
О
м
мы. Для ее элементов предварительно
О
определяли жесткости участков валов и
y
G
моменты инерции сосредоточенных масс.
5
О
Для трехмассовой системы (рис. 9 а) по6
на частицу
лучено уравнение, характеризующее ча- Рис. 8. Силы, действующие
7
с постоту собственных колебаний и их форму: почвы в момент отбрасывания
М,

2
2
2
верхности ножа
Н·
м

 2 J1 J 2 J 3 4  ( J1 J 2  J1 J 3 )c2,3  ( J 2 J 3  J1 J 3 )c1, 2  2  c1, 2 c2,3 ( J1  J 2  J 3 ) 
0
(47)
0
20
где J1, J2, J3 – моменты 40
инерции вращаJ3
J1
ющихся масс системы 60
силового привоc1,2
c2,3
да фрезы, соответственно
Рисфрезбарабана,
а
.16. с1,2, с2,3 –
трансмиссии и двигателя;
Вл
жесткости валов, связывающих
сосреиядоточенные массы.
ние
Полученное уравнение
(47) являдли
ется кубическим относительно
ω2, и
ны
один из его корней, соответствующий
под
a1=1
возможности вращенияре-вала как жестб кого тела без кручения за
или же с постоющ
янной величиной деформации, равен
ей
нулю, остальные двача-корня можно
a1=1
найти из выражения, стоящего
в фигурсти
в ных скобках в (47), приравняв
его к нураболю. Меньшему положительному
значе2
чих
нию ω1 соответствует одноузловая
орформа колебаний, большему
положига2
тельному значению ω2нов– двухузловая
Рис. 9. Трехмассовая система а; б – одно- форма крутильных колебаний. Задавараз
узловая; в – двухузловая формы крутильлич
24
ных колебаний трансмиссии фрезы
но
й
фо
ясь а1 = 1 и зная значения ω12 и ω22, 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 ω12 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 ω22 имеем а2<0 и а3>0. 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:

M
k
c
1
1
1
1
p 2 1  p1k1 (  )  1c1 (  )  p 2 2   2 2 
; 
J1 J 2
J1 J 2
J2
J2
J1

(48)

M 
k
c
1
1
1
1
p 2 2  1 1   2 1  p  2 k 2 (  )   2 c2 (  )   3 .
J2
J2
J2 J3
J 2 J3
J3 
Пользуясь методами операционного исчисления, находим изображения,
по которым в дальнейшем определяем α1(p) и α1(p), их оригиналы α1 и α2, а по
ним – функции φ1(t), φ2(t), φ3(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.
25
0,5
1,0
1,5
2,0
Установлено, что по качеству рыхления наилучшие показатели имеют
рабочие органы с эвольвентной винтовой поверхностью с углом τ=450, по
транспортирующей способности – с углом τ=300, по способности вертикального
перемешивания – с углом τ=600. В то же время наименее энергоемким является
рабочий орган с углом τ=30, а наиболее энергоемким – с углом τ=60°.
Исследование влияния конструктивных параметров и кинематических
режимов рабочих органов пропашного культиватора на энергоемкость процесса фрезерования. С использованием дисперсионного анализа установлено,
что доли влияния глубины обработки, поступательной скорости и скорости
вращения фрезбарабана с двусторонними экспериментальными ножами достоверны и соответственно составляют 32,05; 47,41 и 1,1%. Так же как и для Гобразных стандартных ножей, большое влияние угловой скорости фрезбарабана сказывается в сочетании с поступательной скоростью и составляет 2,33 %.
Общая же доля влияния ω как самостоятельного фактора и во взаимодействии с
другими составляет около 3,59 %. Учитывая градацию (ω = 29,4…39,8 рад/с)
фактора скорости вращения рабочих органов, следует особо подчеркнуть его
значительное совместное влияние в сочетании с поступательной скоростью для
Г-образных ножей (2,52 %) и для двусторонних (2,33 %). Это подтверждает
теоретические исследования о важности кинематического параметра λ, о необходимости его правильного выбора в соответствии с оптимальным соотношением окружной и поступательной
N,
скоростей.
VI
кВт
Зависимости
энергоемкости
Vм = 0,83 м/с
V фрезерования почвы от глубины обработки и числа оборотов фрезбарабана
ω = 39,8 рад/с
IV приведены на рис. 10 и 11. Из графиков видно, что с увеличением глубины
III
обработки потребная мощность возII
I
растает более интенсивно, чем при
увеличении числа оборотов фрезбарабана.
На рис. 11 приведен график зависимости энергоемкости фрезерной
секции, укомплектованной двусто5
6
7
8
9
h, см
ронними ножами с углом τ=300 и Гобразными – с углом τ=600 (сущеРис.10. Зависимость энергоемкости фрезбараствующие), от величины λ.
бана от глубины обработки: I-ножи двусторонИз графика видно, что потребние, τ=300; II – ножи Г-образные, τ=300; III0
ножи двусторонние, τ=60 ; IV – ножи Г- ная мощность фрезбарабана с двустообразные двойной ширины захвата, τ=600; V- ронними рабочими органами меньше,
ножи Г-образные конструкции ВИСХОМа, чем с Г-образными (особенно при
τ=600; VI – секция в сборе.
h = 7,5 см). Оптимальное значение величины λ находится в пределах 4,5 –
6,5, а величина подачи SH=5 – 7 см. Энергоемкость секции возрастает при λ>6 и
SH<5 см, а также, причем более интенсивно, при λ<4,5 и SH>7 см, но до опре26
10
30
50
70
0
0,5
1,0
1,5
деленного предела – λ  3 и SH  10–12 см, после чего снова понижается.
Зависимость удельного сопротивления фрезерованию почвы барабаном с
двусторонними рабочими органами при τ=300 и с Г-образными при τ=600 (существующие) от λ, S и h просматривается в графике на рис.12. Величина k0 интенсивно возрастает при λ>6. Точки перегиба на графиках обусловлены теми же
факторами, что и на рис. 11, и соответствуют тем же характерным значениям
кинематических параметров λ.
Данные по удельному сопротивлению фрезерования почвы могут быть
использованы при расчетах
N,
энергетических показателей
кВт
вновь проектируемых фрезерных машин и их рабочих
органов и при оценке сравIV
ниваемых конечных результатов различных споIII
собов обработки почвы.
II
Лабораторные исслеI
дования подтвердили теоретические предпосылки о
форме борозды и стружки,
срезаемой активным пред2
3
4
5
6
7 λ
плужником, поэтапный хаРис.11. Зависимость энергоемкости фрезбарабана от рактер взаимодействия ловеличины λ: I – ножи двусторонние, τ =300, h = 5 см; пасти с почвой. Предел соII – ножи Г-образные (существующие), τ = 300, h = 5 противления
внедрению
см; III – ножи двусторонние, τ = 300 , h = 7,5 см; IV –
рабочего органа (предел
ножи Г-образные (существующие), τ = 600, h = 7,5 см
смятия почвы) наблюдается
kо,
в момент, когда малая поIV
Н/см2
луось отклоняется от гориIII
зонтального положения на
65 – 75º (рис. 13). В этот
II
момент нагрузка на валу
I
привода становится максимальной.
После
достижения
максимального
момента
сопротивления на валу привода происходит его резкое
2
3
4
5
6
7 λ
падение. Это объясняется
сменой
доминирующих
Рис. 12. Зависимость удельного сопротивления
напряжений смятия на
фрезерования kо от величин λ и h
сдвиг. Однако интенсивность роста момента сопротивления М вр в период заглубления рабочего органа
выше, чем при его снижении. Положение малой полуоси лопасти, когда начи27
нается некоторое снижение интенсивности падения М вр , соответствует ее повороту от вертикали на угол
 2 



 119 . Рабочий процесс отрезания почвенной стружки от
mн (  1)
40
800
0
40 0
80
120
2
монолита заканчивается после того, как большая полуось лопасти рабочего органа пересечет траекторию предыдущей. Полный период взаимодействия рабочего органа с почвой по углу его поворота составляет около 180º, что значительно больше, чем Г-образных ножей.
Динамика изменения составляющих усилий резания Fx , Fy , Fz , действующих на рабочий орган во время отрезания стружки, неодинакова. Как
видно из графика на рис. 13, вертикальная составляющая усилия резания Fy
наиболее интенсивно возрастает в момент заглубления малой полуоси рабочего
органа. Максимальное значение
Fy адекватно пределу напряжеmн = 2; β = 35º; ω = 3,7
М
,
рад/с;
вр
ний смятия почвы, которое совН·м
λ = 4,1; h1 = 8,5 см
падает с соответствующим значением М вр . По достижении малой полуосью глубины обработки h1 значение Fy уже незначительно.
Мв
Изменение осевой составр
ляющей усилия резания на рабоFx, Fy,
чем органе FZ от угла поворота
Fz, Н
лопасти пропорционально измеFx
нению момента сопротивления
М вр . Горизонтальная составляFy
ющая усилия резания на рабочем
Fz
органе Fx достигает максимума
в момент внедрения малой полуоси на глубину обработки h1 ,
что в полной мере соответствует
теоретическим предпосылкам.
Проведена серия экспери30
70
110
150
190
α, град
ментов с целью согласования их
результатов с теоретическими
13. Зависимость момента сопротивления
исследованиями в условиях поч- Рис.
Мвр и составляющих усилий резания от угла
венного канала и для выявления поворота α оси вращения активного гребнеобзависимости глубины обработки разующего рабочего органа при взаимодейна силовые и энергетические па- ствии с почвой
раметры предплужника. Они показали (рис. 14), что зависимость между глубиной обработки h1 и мощностью
28
2,0
1,2
100
0,8
300
1,6
500
на привод предплужника N , составляющими усилия резания Fx , Fy , Fz , действующими на ротор, носит криволинейный характер. При увеличении h1 энергозатраты возрастают.
С уменьшением глубины обработки h1 увеличиваются коэффициенты вариации перечисленных выше энергетических и силовых параметров. Так,
например, уменьшение h1 на 40 % повысило коэффициент вариации на такую
же величину.
Рост коэффициента вариации  энергетических и силовых показателей в
связи со снижением h1 объясняется уменьшением времени контакта каждого
рабочего органа (квадрантной пластины) с почвой отдельно и при совместной
работе смежных лопастей. Поэтому при работе на небольшой глубине необходимо увеличивать число лопастей, закрепленных на ступице вала ротора предплужника. Это обеспечивает уменьшение периода колебаний исследуемых параметров, снижает их вариацию и улучшает динамику работы ротора.
Расхождения между теоретическими и экспериментальными зависимостями силовых показателей в основном обусловлены тем, что теоретические
значения Fx , Fy , Fz подсчитаны по уравнениям, определяющим их максимальные величины. Кроме того, в каждом опыте нельзя было обеспечить постоянство физико-технологических свойств почвы.
Зависимость подталкивающего действия F'х от отношения глубины обработки к радиусу барабана
Fx, Fy,
N
ап,
нами исследовалась в лабораFz, Н mн= 4; β = 35º; ω = 3,34
кВт
рад/с;
торных условиях. Как видно
λ = 4,1; r = 0,2 м
из приведенного графика (рис.
Nап
Fx
15), величина горизонтальной
составляющей реакции достигает наибольшей величины
при отношении h/r, равном
Fy
0,55…0,75. При дальнейшем
его увеличении наблюдается
Fz
уменьшение величины F'х. Это
объясняется тем, что при
больших отношениях верхняя
6
7
8
9
10
11 α, град
часть стойки ножа начинает
Рис. 14. Зависимость мощности привода акдвигаться в сторону переметивного предплужника и составляющих усищения агрегата, сминая верхлий резания Fх, Fу , Fz от глубины обработки
ние слои вырезаемой почвенh1; ---- – теоретические значения, –––– – эксной стружки.
периментальные значения
29
0
5
20
6
40
7
60
0
2,0
100
200
С увеличением длины лезвия момент сопротивления рабочему органу Гобразной формы, отнесенный к единице ширины захвата, уменьшается. Данная зависимость приведена на
F'x,
рис. 16.
Н
Результаты экспериментов
1
показали, что на характер
нагрузки РПМ существенное
2
влияние оказывают формы рабочих органов и их размещение на
валу барабана. Увеличение длины лезвия ножей Г-образной
формы до 70…110 мм при одновременном
придании ему
угла
скользящего резания в
0,2
0,4
0,6
0,8
h/r
20…30° уменьшает удельные
см
нагрузки (а также удельную раРис.5. Зависимость подталкивающего действия
боту) на единицу ширины захва- F'х от отношения глубины обработки к радиусу
та обрабатываемой почвы до барабана h/r: 1 – Г-образный нож; 2 – долото
минимальной величины. Поэтому оптимальным при выборе
длины лезвия следует считать интервал от 70 до 110 мм. С уменьшением отношения глубины обработки к диаметру барабана влияние различных схем размещения рабочих органов на степень неравномерности момента сопротивления
значительно снижается.
Из результатов экспеМ,
М/b,
2'
1'
2
1
Н·м
Н/см риментов можно констатировать, что с ростом угловой скорости барабана возрастают коэффициент отбрасывания kотб, скорость и
дальность полета частиц и
как результат – энергоемкость фрезерования (рис.
17). Следовательно, целесообразной является работа машины при минимально допустимых угловых
0
40
80
120
b, мм
скоростях барабана и максимально возможном отРис. 16. Влияние длины подрезающей части рабочих ношении глубины обраорганов различной формы на момент сопротивления
ботки к диаметру барабана.
(кривые 1 и 2) и на удельный момент сопротивления
На динамику систе(кривые 1' и 2'): 1 и 1' – для рабочих органов Гобразной формы; 2 и 2' – для долотообразных рабочих мы силового привода существенное влияние окаорганов
зывают возникающие кру30
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
тильные колебания. Определив жесткости валов и моменты инерции экспериментальной полевой установки, мы расчетным путем устанавливаем собственные частоты крутильных колебаний. Подставив необходимые значения в выражение (47), получим уравнение частот:
(49)
44,7 2  74,5 10 6  2  5,95 1012  0.
Из уравнения (49) находим: ω1= 270 Гц, ω2= 1260 Гц. При таких частотах собственных колебаний в трансL, м
kотб
миссии полевой установки не
v
могли возникать резонансные
kот
колебания, поскольку частота
вынужденных колебаний оказалась достаточно низкой даже
по сравнению с первой частоL
той собственных колебаний.
Но в то же время не исключается возможность возникновения резонанса на высших гармониках.
0 5 10 15 20 25 30 35 ω, рад/с
Лабораторно-полевые
эксперименты. Результаты поРис. 17. Зависимость коэффициента отбрасывания kотб
и дальности полета L почвенных частиц от угловой левых экспериментов показали, что пахотный агрегат с акскорости барабана ω
тивными
предплужниками
обеспечивал выполнение агротехнических требований на вспашку склонов до
60. По сравнению с контролем это позволило улучшить крошение пласта на
9…20 %, глубину заделки растительных остатков – на 21…27 %, степень оборота пласта – на 15 %. Он производил вспашку до седьмой передачи трактора
ЮМЗ-6Л включительно. Максимальная скорость агрегата с учетом буксования
составила 1,71 м/с (6,2 км/ч). Контрольный агрегат со стандартными предплужниками производил вспашку до шестой передачи трактора. При работе экспериментального плуга разгружался силовой поток, идущий к ведущим колесам,
что способствовало уменьшению их буксования и снижению тягового сопротивления плуга.
Как видно из графика (рис.18), буксование ведущих колес тракторного
агрегата с активными предплужниками не превышает 20 % (четвертая передача
трактора), тогда как у контрольного достигает 30 % (шестая передача). В пределах допустимого буксования (    16 % ) экспериментальный агрегат может
осуществлять вспашку для заданных условий эксплуатации до шестой передачи
включительно, контрольный до четвертой. С учетом этого рабочая скорость
экспериментального агрегата с активными предплужниками была на 27 % выше
и при буксовании 8,8 % Vм=1,71 м/с (6,2 км/ч). Уменьшение тягового сопротивления экспериментального агрегата связано с увеличением горизонтальной составляющей резания стружки на рабочих органах активного предплужника.
31
0
0,7
0,5
17,5 19,5 21,5
8
500
10
12
0,6
8
500
12
16
20
Рост подталкивающего действия активных предплужников вызван увеличением
подачи на нож с 6,8 до 10,5 см.
δ, % Производительность
пахотного
δ
агрегата с активными предплужFm,
никами в пределах допустимого
кН
буксования   =16 % возросла с
0,47 до 0,65 га/ч, или на 28 %, поFm
гектарный
расход
топлива
W,
уменьшился с 21,8 до 18,0 кг/га,
кг/ч
или на 17,4 %, а по сравнению с
контрольным агрегатом на 1,7 %.
В ходе экспериментальных
G,
исследований выявлено, что при
кг/ч
нарезке гребней оптимальными
W
являются режимы работы агрегатов при частоте вращения ВОМ
545 об/мин и поступательной
q,
кг/га скорости контрольного агрегата
Gm
Vм=1,55 м/с (5,6 км/ч), экспериментального – 2,0 м/с (7,2 км/ч).
Это обеспечивается номинальной
частотой вращения вала двигатеq
ля (2100…2200 об/мин), второй
передачей трактора контрольного
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
Vм, м/с
и третьей – экспериментального
Рис. 18. Изменение буксования δ, тягового со- агрегата. При включении понипротивления Fт, производительности W, часово- жающего редуктора рекомендуго Gm и погектарного q расхода топлива в зави- ются четвертая и пятая передачи.
симости от рабочей скорости агрегатов Vм:
Соблюдение вышеизложенного
–––– – экспериментального; ---- – контрольного
гарантирует качественное выполнение технологической операции, так как подача на нож составляет
0,06…0,1 м, кинематический параметр будет в пределах 3,1…6,0.
В лабораторных и полевых условиях нами найдены средние значения
дисперсии, корреляционные функции и спектральные плотности Mкр(t) и T(t).
Характерной особенностью явилось то, что в спектрах дисперсии во всех случаях четко выделялись периодические составляющие с частотой, равной частоте врезания рабочих органов в обрабатываемую почву. При этой частоте спектральные плотности крутящего момента и тягового сопротивления имеют ярко
выраженный максимум. На рис. 19 а, б приведены нормированные корреляционные функции и спектральные плотности Mкр(t) и T(t), полученные на лабораторной установке при глубине обработки h=8 см.
Технико-экономические показатели работы почвообрабатывающих машинных агрегатов с АРО. Приведены результаты сравнения техникоэкономических показателей работы машинно-тракторных агрегатов с экспериментальными и традиционными рабочими органами. Доказана эффективность
32
предлагаемых технических решений. Годовой экономический эффект по приведенным затратам от использования лемешно-отвального плуга ПЛН-3–35 с
активными предплужниками в агрегате с трактором ЮМЗ-6Л составил 92,3
руб./га, культиватора-гребнеобразователя на базе КФГ-2,8 с трактором МТЗ80Л – 9 081 руб./га.
σ (ω)
2
1
0,1
0,2
0
0,01
τ
0,3 τ
0,02
0,03
0 0,2 0,4 0,6
0,8
0,04
ρ (τ)
0
а
10
20
30
40 ω, с-1
б
Рис. 19. Нормированные автокорреляционные функции (а) и спектральные плотности
(б) крутящего момента на валу барабана (1) и тягового сопротивления (2) фрезерной
лабораторной установки
Выводы и рекомендации
1. Разработан и реализован в ходе исследований алгоритм синтеза новых АРО почвообрабатывающих машин, позволяющий упорядочить их проектирование для определенных условий функционирования.
2. Предложена классификация рабочих органов почвообрабатывающих
машин по числу возможных перемещений (степени свободы движения) рабочих элементов. С ее помощью устанавливаются обобщенные координаты закона движения и количество независимых управляемых каналов передачи энергии, оцениваются характер взаимодействия и условия передачи от исполнительного рабочего органа к почве.
3. Для создания благоприятных условий развития клубней картофеля
разработаны математическая модель конфигурации гребня и номограмма, что
позволило получить оптимальные параметры гребнеобразующего рабочего органа и установить следующее: диаметр барабана максимальный – 300 мм, минимальный – 200 мм; число ножей на диске – 3; ширина крыла ножа максимальная – 100 мм, минимальная – 60 мм; угол отгиба стойки ножа – 3…5о; рекомендуемые пределы изменения кинематического параметра – 3,1…4,0.
4. На основе общей теории винтовых поверхностей получены матема33
тические зависимости рабочих поверхностей ножей, их пространственные кинематические параметры, формулы для расчета силовых, энергетических показателей фрезерных культиваторов различного функционального назначения и
активного предплужника. Разработаны методика исследования, алгоритм и
программы проектирования новых АРО с винтовыми поверхностями для
ПЭВМ.
5. Предложен метод оптимизации угла установки ножа ротационной
почвообрабатывающей машины, подтвержденный экспериментально.
6. Разработан метод адекватного выявления характера взаимодействия
ножей с почвой, позволяющий на стадии проектирования по характеру преодолеваемых напряжений в почве в период отрезания стружки получить силовую и
энергетическую оценку АРО.
7. Для снижения амплитуды и повышения устойчивости работы трансмиссии, особенно для малогабаритных фрез, предложено использовать аккумулятор кинетической энергии. Разработана методика расчета его параметров.
Установлено, что для снижения амплитуды колебаний нагрузки на валу привода, повышения долговечности работы фрезерных почвообрабатывающих машин и активных рабочих органов рекомендуется схема размещения последних
на валу барабана по многозаходной винтовой линии, параметры которой увязаны с продолжительностью отрезания почвенной стружки. Лезвие ножа следует
располагать по винтовой линии, что увеличивает продолжительность резания.
8. Предложены методика выбора формы направляющего кожуха и выражения для определения его тягового сопротивления. Экспериментально установлено, что кожух и центральный пассивный нож пропашной секции фрезы
увеличивают энергоемкость фрезбарабана на 13 %.
9. Получены экспериментальные зависимости, позволяющие установить
рациональные конструктивные и режимные параметры экспериментальных и
существующих рабочих органов. Установленные параметры в широком диапазоне изменения условий работы обеспечивают необходимую устойчивость хода, оптимальное подталкивающее усилие и минимальные энергозатраты.
10. Установлена степень влияния условий работы, параметров ножей и
режима фрезерования на величину крутящего момента привода фрезбарабана,
укомплектованного различными АРО. Для барабана с Г-образными ножами доля влияния на величину крутящего момента глубины обработки составляет
36,35 %, поступательной скорости – 45,58 %; угла постановки лезвия τ – 3,82 %,
а для барабана с двухсторонними ножами – соответственно 32,05, 47,41 и 2,6 %.
11. Экспериментально получены зависимости, характеризующие взаимосвязь конструктивных параметров и режимов работы различных типов АРО
с их силовыми и энергетическими показателями:
– установлено, что наименее энергоемким является фрезбарабан с двухсторонними рабочими органами с углом τ=300, шириной захвата b=135 мм и
числом ножей в секции mн=6. По сравнению с компоновкой фрезбарабана с
существующими ножами затраты мощности снижены на 29 % ;
– оптимальное значение кинематического показателя λ для АРО пропашного фрезерного культиватора находится в пределах 4,5…6,5, а величина пода34
чи S=5…7 см;
– наибольшее значение горизонтальной составляющей реакции почвы,
способствующее снижению тягового сопротивления агрегата, достигается при
отношении глубины обработки к радиусу h/r=0,55…0,75 (теоретически получено h/r =0,65).
12. Экспериментально установлено, что скорость отбрасывания частиц
почвы активными рабочими органами на номинальных режимах близка к
окружной скорости режущих элементов ножей, а коэффициент отбрасывания с
увеличением угловой скорости приближается к единице.
13. Получены рациональные режимы экспериментальных почвообрабатывающих агрегатов с активными рабочими органами, которые находятся в
пределах:
– при междурядной обработке картофеля агрегатом с трактором класса
1,4 частота вращения МОМ – 545 об/мин; поступательная скорость –
2,0…2,47 м/с (7,2…8,9 км/ч), экономия топлива – 0,9…1,1 кг/га (17…20 %);
– при вспашке склона крутизной 6о плугом ПЛН-3–35 с активными предплужниками в агрегате с трактором класса 1,4 частота вращения активных
предплужников ω=4,0…4,5 рад/с; кинематический показатель работы
λ=2,5…3,5, диаметр ротора D=400 мм; угол отклонения большой полуоси эллиптической лопасти к плоскости вращения малой β=35о. Благодаря снижению
на 27…35 % тягового сопротивления производительность экспериментального
агрегата по сравнению с контролем возросла на 17…24 %, погектарный расход
топлива снизился на 7,7 %.
14. Качество работы экспериментальных почвообрабатывающих агрегатов с АРО выше по сравнению с контрольным и удовлетворяет основным агротехническим требованиям. При вспашке склонов крутизной 6° эффективность
от внедрения плуга с активными предплужниками составила 92,3 руб./га. Годовой экономический эффект от эксплуатации машины с универсальными АРО
для междурядной обработки картофеля с учетом изменения количества получаемой продукции достигает 9 081 руб/га.
Библиографический список
По теме диссертации опубликовано 75 работ, основными из которых являются следующие:
1. Учебные пособия для вузов и монографии
1. Чаткин М. Н. Кинематика и динамика ротационных почвообрабатывающих рабочих органов с винтовыми элементами / М. Н. Чаткин/; науч. ред.
д-р техн. наук В. И. Медведев.– Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – 315 с.
2. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин : Учеб.
пособие / Н. И. Наумкин, М. Н. Чаткин, В.Ф. Купряшкин и др.; – 2-е изд., испр.
– Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2005. – 332 с.
3. Лабораторный практикум по теории механизмов и машин : Учеб.
пособие / Н. И. Наумкин, М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин и др.; – 2-е изд., испр.
и доп. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. – 120 с.
35
2. Статьи в журналах
4. Чаткин М. Н. Современные проблемы земледельческой механики.
Пахотный агрегат с активными предплужниками/ М. Н. Чаткин // Техника в сел.
хоз-ве. – 1990. – № 4. – С. 33.
5. Лещанкин А. И. Опыт возделывания картофеля на тяжелых почвах /
А. И. Лещанкин, М. Н. Чаткин, Н. С. Колесников // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. – 1992. – № 5 – 6. – С. 15–16 .
6. Чаткин М. Н. Особенности динамического анализа работы почвообрабатывающих фрезерных агрегатов / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. – 2006. – № 12. – С. 9 – 11.
7. Чаткин М. Н. Определение оптимального угла установки фрезерного рабочего органа / М. Н. Чаткин // Вестн. Сарат. гос. аграр.ун-та им. Н. И. Вавилова. – 2007. – № 4. – С. 19 – 23.
8. Чаткин М. Н. Составление эквивалентной схемы и определение
собственных частот крутильных колебаний трансмиссии фрезы / М. Н. Чаткин
// Тракторы и с-х. машины. – 2007. – № 9. – С. 39 – 41.
3. Статьи в материалах конференций
9. Чаткин М. Н. Обоснование конструктивных параметров и режимов
работы активного предплужника для обработки склонов/ М. Н. Чаткин // Эффективность внедрения научно-технических разработок Мордовского университета :
науч.-техн. конф. – Саранск, 1986. – С. 66 – 69.
10. Лещанкин А. И. Методика расчета энергетических показателей ротационных почвообрабатывающих машин / А. И. Лещанкин, М. Н. Чаткин // Эффективность внедрения научно-технических разработок Мордовского университета : науч.-техн. конф. – Саранск. 1986. – С. 53 – 54.
11. Чаткин М. Н. Пути повышения долговечности привода почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами / М. Н. Чаткин,
А. С. Лысков // Долговечность и эксплуатационная надежность материалов, элементов, изделий и конструкций : тез. докл. науч.-техн. конф. – Саранск, 1987. –
С. 50 – 51.
12. Проектирование винтовых поверхностей рабочих органов на ЭВМ /
А. И. Лещанкин, М. Н. Чаткин, Н. С. Колесников и [др.]// Эффективность использования машиностроительного оборудования : тез. докл. науч.-техн. конф. –
Саранск, 1991. – С. 87 – 88.
13. Чаткин М. Н. Выбор схемы размещения ножей на валу барабана ротационной почвообрабатывающей машины / М. Н. Чаткин // Совершенствование
рабочих органов с. – х. машин и агрегатов : тез. докл. Междунар. науч.-техн.
конф. – Барнаул, 1994. – С88 – 90.
14. Снижение нагрузки в механизмах привода активных рабочих органов
почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин, Н. П. Панфилов, В. Ф. Купряшкин, В. Мащиков // XXIV Огаревские чтения : тез. докл. науч. конф. : в 3 ч. Ч. 3. –
Саранск, 1995. – С.80 – 81.
15. Чаткин М. Н. Анализ нагружения рабочих органов и механизмов
приводов ротационных почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин // Доклады
36
и тезисы : международная научно-практическая конференция памяти акад. В. П.
Горячкина. – М., 1998. – Т.1. – С.142 – 144.
16. Чаткин М. Н. К вопросу о стабилизации работы машин с активным
резанием среды / М. Н. Чаткин, В. Ф Купряшкин, Н. И. Наумкин // Организационные, философские и технические проблемы современных машинных производств : сб. материалов всерос. науч.-практ. конф. – Рузаевка, 2000. – С. 64 – 66.
17. Повышение эксплуатационной надежности ротационных почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, Н. П. Пяткин // Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных
машин : сб. материалов Междунар. науч.-техн. конф. – Саранск, 2001. – С. 171 –
174.
18. Чаткин М. Н. Новый подход к классификации рабочих органов почвообрабатывающих машин по степени свободы их движения / М. Н. Чаткин,
В. Ф. Купряшкин, С. В. Юртаев // Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК : сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн.
конф., посвящ. 40-летию Ин-та механики и энергетики МГУ им. Н. П. Огарева.
Саранск, 2002. – С.16 – 21.
19. Чаткин М. Н. Обоснование параметров активного гребнеобразователя / М. Н. Чаткин, Н. С. Колесников // Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК : сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн.
конф., посвящ. 40-летию Ин-та механики и энергетики МГУ им. Н. П. Огарева. –
Саранск, 2002. – С. 190 – 196.
20. Чаткин М. Н. Колебательные явления в механизмах привода почвообрабатывающих фрез / М. Н. Чаткин // Совершенствование технологий и
средств механизации и технического обслуживания в АПК : сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 75-летию В. И. Медведева. – Чебоксары, 2003. –
С. 38 – 44.
21. Технологические основы комбинирования операций обработки
почвы / М. Н. Чаткин, С. В. Юртаев, В. Н. Аношкин [и др.] // Наука и инновации в Республике Мордовия. Ч.1. Технические науки : материалы респ. науч.практ. конф. «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса
региона, 25 – 26 дек. 2003 г. – Саранск, 2003. – С. 250 – 252.
22. Чаткин М. Н. Динамический анализ работы малогабаритной почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85 / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин // Наука и инновации в Республике Мордовия. Ч.1. Технические науки : материалы респ. науч.-практ. конф. «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса региона», 25 – 26 дек. 2003 г. – Саранск, 2003. – С. 290 –
297.
23. Динамика работы малогабаритной почвообрабатывающей фрезы
ФС-0,85 / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, Н. П. Пяткин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических
систем : сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф. – Саранск, 27 – 29 окт. 2004
г. : – Саранск, 2004. – С. 296 – 307.
24. Чаткин М. Н. Обеспечение стабильной работы машин с активным
резанием путем установки маховичного аккумулятора энергии / М. Н. Чаткин,
37
В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин // 100 лет механизму Беннета : материалы
Междунар. Конф. по теории механизмов и машин. – Казань, 2004. – С. 243 –
246.
25. Чаткин М. Н. Обоснование скорости воздействия ротационных рабочих органов почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин // Образование.
Наука. Производство. Инновационный аспект : сб. труд. науч.-практ. конф. посвящ. 50-летию Чебоксар. ин-та (фил.) МГОУ : в 2 т. – М., 2005. – Т. 1. –
С. 152 – 155.
26. Чаткин М. Н. Первые результаты выполнения проектов по разработке сельскохозяйственной техники / М. Н. Чаткин // Система регионального
сельхозмашиностроения : состояние и перспективы развития // Сборник научных докладов XIII Международной научно-практической конференции «Новые
технологии и техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в сельскохозяйственном производстве», 5 - 6 окт. 2005 г., Москва. –
М., 2006. – С.89 – 102.
27. Чаткин М. Н. Уравнение движения фрезерного почвообрабатывающего агрегата с упругим передаточным механизмом / М. Н. Чаткин,
А.
И. Лещанкин // Роль науки в формировании специалиста : сб. трудов науч.практ. конф. Вып. 4. – М., 2006. – С. 67 – 69.
28. Пути повышения технического уровня фрез / М. Н. Чаткин,
А. Н. Мещеряков, В. Ф. Купряшкин, С. Б. Драняев // XXXV Огаревские чтения :
материалы науч. конф. : в 2 ч. Ч. 2. Естественные и технические науки / сост.
О. И. Скотников ; отв. за вып. В. Д. Черкасов. – Саранск, 2007. – С. 288 – 292.
29. Чаткин М. Н. Экспериментальное исследование конструктивных и
режимных параметров ножей пропашного фрезерного культиватора на энергоемкость фрезерования / М. Н. Чаткин, А. И. Лещанкин, А. В. Субботкин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических
систем : сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф., г. Саранск, 26 – 27 сент.
2007 г. / редкол.: П. В. Сенин [и др.]. – Ковылкино, 2007. – С. 348 – 354.
30. Чаткин М. Н. Анализ статистического комплекса экспериментальных исследований ножей пропашного фрезерного культиватора / М. Н. Чаткин,
А. И. Лещанкин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф., г. Саранск, 26 – 27 сент. 2007 г. / редкол.: П. В. Сенин [и др.]. – Ковылкино, 2007. –
С. 355 – 359.
31. Влияние работы маховика аккумулятора кинетической энергии на
курсовую устойчивость самоходной почвообрабатывающей фрезы / В. Ф. Купряшкин, М. Н. Чаткин, Н. И. Наумкин, [и др.]. // Повышение эффективности
функционирования механических и энергетических систем : сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф., г. Саранск, 26 – 27 сент. 2007 г. / редкол.: П. В. Сенин
[и др.]. – Ковылкино, 2007. – С. 443 – 447.
4. Статьи в сборниках научных трудов
32. Чаткин М. Н. Предпосылки к исследованию роторно-винтового
предплужника / М. Н. Чаткин // Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники Нечерноземной зоны РСФСР : межвуз. сб. науч. тр. –
38
Саранск, 1983. – С.114 – 117.
33. Чаткин М. Н. Подготовка почвы различными орудиями под посев
озимых культур / М. Н. Чаткин, А. Н. Седашкин, Ю. И. Шеянов // Повышение
эффективности использования сельскохозяйственной техники Нечерноземной
зоны РСФСР : межвуз. сб. науч. тр - Саранск, 1983. С.111 – 114.
34. Чаткин М. Н. Кинематика активного предплужника / М. Н. Чаткин
// Оптимизация параметров сельскохозяйственных машин : межвуз. сб. науч.
тр., Саранск. – 1986. – С. 38 – 44.
35. Чаткин М. Н. Методика выбора схемы размещения ножей на барабане ротационной почвообрабатывающей машины / М. Н. Чаткин, Н. П. Панфилов // Техническое обеспечение перспективных технологий : сб.науч. тр. –
Саранск. – 1995. – С. 22 – 28.
36. Чаткин М. Н. Анализ причин возникновения перегрузок в механизмах привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин /
М. Н. Чаткин, Н. П. Панфилов, В. Ф. Купряшкин // Повышение эффективности
использования сельскохозяйственной техники : информ. вест. дис. совета
Д. 063.72.02. Вып. 1. – Саранск, 1996. С.16 – 19.
37. Чаткин М. Н. Система управления приводными машиннотракторными агрегатами / М. Н. Чаткин // Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники : информ. вестн. дис. совета
Д.063.72.04. Вып. 3. –Саранск, 1998. – С.122 – 124.
38. Чаткин М. Н. Влияние работы маховика на стабильность работы
почвообрабатывающей фрезы / М. Н. Чаткин, В.Ф. Купряшкин, М. Н. Байчурин
// Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники:
информ. вестн. дис. совета. Вып. 4. – Саранск, 1999. – С.94 – 95.
39. Чаткин М. Н. К вопросу о причинах возникновения динамических
нагрузок в приводе почвообрабатывающих фрез / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин // Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники : инф. вест. дис. совета. Д 063.72.04. Вып. 5. – Саранск,
2000. – С. 58 – 61.
40. Чаткин М. Н. Пути совершенствования комбинированных машин /
М. Н. Чаткин, В. Н. Аношкин, В. А. Овчинников // Энергосберегающие технологии и системы в АПК : межвуз. сб. науч. тр. – Саранск, 2004. –С. 161 – 165.
41. Динамика рабочего органа почвообрабатывающей фрезы /
М. Н. Чаткин, А. И. Лещанкин, А. В. Субботкин, Д. И. Василькин // Энергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК : межвуз. сб. науч. тр. – Саранск, 2006. – С. 78 – 82.
42. Кинематика рабочих органов с винтовой поверхностью фрезерных
почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин, А. И. Лещанкин, М. Б. Митякин,
С. Б. Драняев // Энергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК :
межвуз. сб. науч. тр. – Саранск, 2006. – С. 82 – 85.
5. Изобретения и патенты
43. А. с. №978021 (СССР). М. Кл.3 G 01 N 19/02. Прибор для определения коэффициента трения скольжения/ Мордов. гос. ун-т ; Д. С. Икомасов,
Б. В. Петров, А. Н. Седашкин, М. Н. Чаткин, Ю. И. Шеянов. – Заявл. 04.01.81.
39
№3268455/25-28. Опубл. в Б.И., 1982, №44. – 3 с. : ил.
44. А. с №1083940 (СССР). МКИ А 01 С 7/20// А 01 В 33/04. Бороздообразующий рабочий орган/ Чуваш. с.-х. ин-т; В. И. Медведев, Ю. Ф. Казаков,
М. Н. Чаткин, Н. В. Ермолаев. – Заявл. 06.07.82, №3491026/30-15, Опубл. в Б.И.,
1984, №13. – 3 с. : ил.
45. А. с. № 1468435 (СССР). МКИ А 01 В 33/12. Фрезерный барабан
почвообрабатывающего орудия / Мордов. гос. ун-т; В. И. Медведев, А. И. Лещанкин, А. С. Лысков, М. Н. Чаткин. – Заявл. 06.02.87, №4225718/30-15, Опубл. в
Б.И., 1989, №12. – 5 с. : ил.
46. А. с. № 1679980 (СССР) МПК A 01B 13/02, 49/02, 33/02. Фрезерный
культиватор-гребнеобразователь / Мордов. гос. ун-т; A. M. Лещанкин, Н. С. Колесников, М. Н. Чаткин, [и др.]. – Заявл. 15.05.89, №4690340/15, Опубл. в Б.И.,
1991, №36. – 3 с. : ил.
47. Патент № 2105444 РФ, МПК А 01 В 33/00,33/08. Почвообрабатывающая фреза / М. Н. Чаткин, Н. П. Панфилов, В. Ф. Купряшкин ; Мордов. гос. унт. – № 96109233/13 ; заявл. 05.05.96 : опубл.27.02.98. Бюл. № 6. – 2 с. : ил.
48. Патент, № 2129350 РФ, МПК А 01 В . Мотокультиватор / М. Н. Чаткин, Н. П. Панфилов; Мордов. гос. ун-т. – № 98100742 ; заявл. 20.01.98 : опубл.
27.04.99. Бюл. № 6. – 2 с. : ил.
49. Патент № 2193298 РФ, МКИ А 01 В 33/02,33/08. Почвообрабатывающая фреза / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин, Н. П. Панфилов, [и др.] ; Мордов.
гос. ун-т. – № 2000103883/13 ; заявл. 16.02.00 ; опубл. 27.11.02. Бюл. № 33. – 2 с. :
ил.
50. Патент, № 2243633 РФ, МКИ4 А 01 В 33/00,33/08. Почвообрабатывающая фреза / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин ; Мордов. гос. ун-т.
– № 2003103179/12 ; заявл. 03.02.03 ; опубл. 10.01.05. Бюл. № 1. – 4 с. : ил.
40
Скачать