CC BY
39
УДК 630*232
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЫХЛИТЕЛЬНО-ПОДРЕЗАЮЩИХ ЛАП
КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ ПИТОМНИКОВ
12 1 И.М. Бартенев , В.И. Казаков , И.В. Казаков
1 - ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
2 - ЦОКБ «Лесхозмаш»
В статье изложены результаты исследований по обоснованию параметров рыхлитель-но-подрезающих лап культиватора и дана оценка их по энергетическим показателям.
Ключевые слова: культиватор, рыхлительно-подрезающая лапа, обоснование параметров, энергетические показатели обработки почвы.
Основным рабочим органом культиваторов для агротехнического ухода за растениями в лесных питомниках являются рыхлительно-подрезающие лапы, которые рыхлят почву с одновременным подрезанием корней сорной растительности. Устройство такой лапы и силы, действующие на нее при движении в почве, показаны на рис. 1.
С целью анализа параметров рыхли-тельно-подрезающей лапы, принимаем: L -общая высота стойки, I - длина крепежной части; 1раб - длина заточенной части лапы,
1раб_1;
а - угол наклона заточенной части стойки к направлению, перпендикулярному линии хода лапы (к оси х); / - угол "атаки" нижней части лапы; 5 - угол наклона нижней части лапы к направлению движения; Вл -ширина захвата лапы.
Рассмотрим процесс движения лапы в почве. Результирующую силу сопротивления, а также ее составляющие по осям Х и Z обычно определяют методом тензо-метрирования. В литературе приводятся выражения для расчета продольной составляющей общей силы сопротивления
для культиваторных лап различного технологического назначения [1, 4].
В настоящее время эту величину принято представлять как функцию глубины обработки почвы - И и ширины ее захвата - Вл. На наш взгляд выражения, представленные в указанной литературе, не являются универсальными, поскольку позволяют рассчитывать рабочие сопротивления для отдельных рабочих органов.
В связи с этим целесообразно представить зависимость для определения продольной составляющей тягового сопротивления наклонной заостренной части лапы в следующем виде:
Rx=kлsИ=kлSф, (1)
где Кл - коэффициент удельного сопротивления почвы (эта величина определяется экспериментально);
s - толщина стойки лапы;
Sф - площадь фронтальной проекции стойки (т.е. площадь стойки, спроецированная на плоскость, перпендикулярную направлению движения лапы);
И - глубина обработки почвы (очевидно, И<^-1)).
г
Коэффициент удельного сопротивления почвы зависит от ее свойств (типа, плотности, связности, влажности и т.п.), а также от величины угла заточки рабочего органа в и от состояния рабочей поверхности лапы. Из-за сложности теоретических подходов величину коэффициента удельного сопротивления почвы, имеющего размерность Н/м2, в настоящее время оп-
ределяют экспериментально методом тен-зометрирования [2, 3].
Выражение (1) учитывает параметры лапы и может быть применено для расчета рабочих сопротивлений геометрически подобных рабочих органов.
На основании анализа силовой схемы, представленной на рис. 1, можно сделать следующие заключения. Результи-
рующая сила тягового сопротивления и ее составляющие (Rx и Rz) приложены в точке О (в центре приложения сил сопротивления почвы). Положение точки О на образующей АС зависит от степени заглубления лапы в почву. Составляющая тягового сопротивления, направленная по нормали к лезвию АС, определится так:
RN=RX/cos a=RX sec а. (2) Тангенциальная составляющая:
R^RffRx sec а , (3)
где f - динамический коэффициент трения почвы по материалу лезвия (по стали).
Из векторного равенства общей силы сопротивления сумме нормальной и тангенциальной составляющих можно выразить модуль суммарной силы сопротивления:
Rz = R2 sec2 а + f2 Rx2 sec2 а)12. (4)
Последнее выражение (4) с учетом формулы (1) после простых преобразований приведем к виду:
Rz = knsh seca(l + f2 )V2. (5) Принимая во внимание, что: _/=arctg Ф,
где p - динамический угол трения частиц почвы по стали, окончательно можем записать:
Rz = knsh seca(l + tg2p)12. (6)
Анализ полученного выражения приводит к следующим заключениям:
1. Тяговое сопротивление ножевого участка лапы АС прямо пропорционально толщине стойки, величине заглубления в почву, а также удельному сопротивлению почвы. Этот вывод хорошо известен и под-
твержден многочисленными экспериментами [1, 4].
2. Уменьшение угла заточки в и поддержание рабочей поверхности лапы в хорошем состоянии (т.е. снижение ф) приводит к уменьшению тягового сопротивления.
3. Увеличение угла наклона стойки а также влечет за собой снижение сопротивления.
В рассматриваемом случае общее тяговое сопротивление имеет составляющую RZ, направленную вверх и препятствующую заглублению рабочего органа в почву. Угол между общим сопротивлением и его нормальной составляющей равен углу динамического трения. Следовательно, результирующая реакция сил сопротивления направлена к горизонту (к оси Х) под углом (о-ф) (рис. 1). Значит, вертикальная составляющая всех сил сопротивления запишется так:
Rz=Rz sin(a-ф). (7)
Для устойчивого хода лапы в почве (т. е. для минимизации ее колебаний в вертикальном направлении в целях стабилизации глубины обработки) величину RZ необходимо компенсировать. Это можно сделать за счет силы тяжести, конструктивно приходящейся на каждый рабочий орган, либо за счет рациональной формы самого рабочего органа.
Рассмотрим нижнюю часть лапы как симметричную систему. Ее сопротивление можно рассчитать по формуле (1) с учетом формулы:
я;=. (8)
Из схемы на рис. 1 следует, что дли-
ны образующих поперечного профиля нижней части лапы можно рассчитать по выражениям:
EM = 0,5(fí - s )secy, EP = 0,5(Вл - s )secy.
Углы у и у - конструктивно заданные величины. Площадь профильной проекции нижней части лапы:
S фр = 055EMEP sin (у - у).
После простых преобразований получим:
Sфр =(вл -s)sin(у-У1)/8cosycosy. (9)
Суммарная сила сопротивления нижней части лапы составит:
rxz = RXsec^.
Вертикальную составляющую можно определить по формуле: R'Z = R'XZ sin^ = R'X sec^sin^ = R'Xtgy.(10)
В двух последних выражения через у обозначен угол между суммарной реакцией всех сил сопротивления и ее продольной составляющей. Влияние различных факторов на величину данного угла хорошо изучено экспериментально [1, 2]. Для назначения величин указанного угла в наших расчетах, к примеру, можно воспользоваться данными, приведенными в работе Н. И. Клеина и др. [1].
Формула (10) с учетом (8) примет
вид:
RZ = *A,tg^. (11)
Учитывая формулу (9) и принимая во внимание, что до сих пор рассматривали половину симметричной схемы, величину общей вертикальной нагрузки, направленную вниз и приложенную к нижней режущей части лапы, определим так:
Rf* = 0,25k, B - s )2sin (r - Y )•
(12)
• tgv sec y sec y. Условие отсутствия выглубления лапы при работе имеет вид:
Rz < Rz
общ
или с учетом выражения (7):
Rz sin(a - (р)< R
у общ
(13)
Теперь запишем условие (13) с учетом ранее полученных соотношений (6) и (12). Мы придем к заключению, что устойчивость хода лапы по оси Z будет обеспечена при соблюдении следующего неравенства:
Sh sin (а - v)(l + tg V)72 seca < < 0,25 (Вл - s)2 sin (y - Y )sec y sec YgW-
(14)
Анализ полученного выражения (14) показывает следующее:
1. Поскольку тип и удельное сопротивление почвы сказываются в одинаковой степени на величинах выталкивающей и заглубляющей составляющих силы общего тягового сопротивления, значение коэффициента удельного сопротивления почвы практически не оказывает влияния на устойчивость хода лапы. Это означает, что за счет рациональной геометрии рабочего органа можно обеспечить его устойчивый ход при эксплуатации на любых типах почв.
2. Заглубление лапы в почву влечет за собой увеличение выталкивающей силы. К аналогичному следствию приводит также увеличение угла наклона стойки а.
3. Значительное влияние на величину выталкивающей силы оказывают фрикционные свойства почвы. С увеличением угла трения указанная сила растет (посколь-
ку в пределах изменения угла трения, характерном для почв различных типов, квадрат тангенса указанного угла увеличивается быстрее, чем уменьшается синус разности (о-ф).
4. Лучшие условия для устойчивого хода лапы в почве создаются при увеличении ширины захвата и уменьшении угла атаки ¡3 (поскольку угол у обратно пропорционален углу ¡).
5. Увеличение угла у (т.е. рост фронтальной площади нижней части лапы) приводит к значительному увеличению общего тягового сопротивления лапы, которое можно рассчитать по формуле:
R°X6m = k,
. (15)
sh + 0,25(Вл - s)2 • • sin (у - y1) sec у sec y1
Полученные результаты аналитических исследований использованы при определении рациональных сочетаний геометрических параметров рыхлительно-
подрезающих лап непосредственно в процессе расчета и проектирования рабочих органов культиватора комбинированного для лесных питомников ККП-1,5, который успешно прошел приемочные испытания и рекомендован в серийное производство.
Библиографический список
1. Кленин Н.И. Попов И.Ф., Сакун В.А. Сельскохозяйственные машины: учеб. М.: Колос, 1970. 456 с.
2. Синеоков Г.Н. Проектирование почвообрабатывающих машин: учеб. М.: Машиностроение, 1965. 304 с.
3. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1977. 328 с.
4. Сельскохозяйственные машины: учеб. / Б.Г. Турбин, и др. Л.: Машиностроение, 1967. 583 с.
