CC BY
242
Таким образом, можно рекомендовать следующие оптимальные диапазоны геометрических параметров демпфера: К от 1,7 до 2,2; dП от 20 до 26 мм, сП от 0,5 до 1,5 МН/м; /П от 30 до 80 мм. При характерном давлении газа в аккумулирующих пневмо-цилиндрах 1 МПа доля рекуперируемой энергии составляет около 25 % от общей энергии, затрачиваемой на поворот колонны. Использование пневматических цилиндров повышает плавность поворота колонны и уменьшает всплески давления в гидросистеме при резкой смене режимов движения. Без пневмоцилиндров всплеск давления составляет около 70 % от рабочего давления, а с пневмоцилиндром - всего 15 %.
Библиографический список
1. Гидроманипуляторы и лесное тех-
нологическое оборудование: монография / И.М. Бартенев, З.К. Емтыль, А.П. Татарен-ко [и др.] / под ред. д-ра технических наук, проф. И.М. Бартенева. М.: ФЛИНТА: Наука, 2011. 409 с.
2. Пат. на изобретение 2479481 РФ, МПКВ 66 С 13/42. Механизм поворота колонны стрелового манипулятора / П.И. Попиков, Д.В. Обоянцев, С.В. Долженко; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2011148369/11; заяв. 28.11.2011; опубл. 20.04.2013, Бюл. № 115.
3. Пат. на полезную модель 125571 РФ, МПКВ 66 С 13/42 Механизм поворота колонны стрелового манипулятора / П.И. Попиков, Д.Ю. Дручинин, С.В. Долженко [и др.]; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2012143435/11; заяв. 10.10. 2012; опубл. 10.03.2013.
DOI: 10.12737/1774 УДК 631.3.02
ИЗНАШИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН
доктор технических наук, профессор, заслуженный лесовод РФ, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин И. М. Бартенев аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин
Е. В. Поздняков
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» kafedramehaniza@mail.ги, pozd.ev@yandex.ru
Изнашивающая способность почвы с В основе абразивного изнашивания
точки зрения процесса разрушения - это лежит процесс микрорезания поверхности
способность почвы изнашивать режущие деталей вершинами абразивных зерен. На
элементы, изменять их геометрические интенсивность процесса изнашивания бо-
размеры в результате режущего или сколь- льшое влияние оказывает острота граней и
зящего воздействия составляющих почву их количество. Чем больше острых граней
частиц и включений. имеют частицы, тем более высокое изна-
шивающее воздействие они оказывают на поверхность деталей.
При изнашивании в почве подтверждается справедливость основного закона абразивного изнашивания. Интенсивность изнашивания почворежущих деталей определяется количеством твердых абразивных частиц, а также степенью их фиксации в остальной почвенной массе [1].
Интенсивность изнашивания рабочих органов орудий зависит от механического состава и влажности почвы, а также наличия в ней каменистых включений [2].
Установлено, что интенсивность и величина абразивного износа определяются физико-механическими свойствами почв. Чем больше в почве содержится песчаных частиц размером 1,00...0,25 мм, тем больше абразивный износ металла; при этом большую роль играют наиболее твердые минералы - кварц, микротвердость которого выше лемешной стали и достигает 800.1100 кг/мм. Важную роль играет окатаность зерен кварца. Чем круглее зерна, тем меньше абразивный износ, чем неровнее - тем интенсивнее износ металла.
Большое значение имеет степень фиксации (закрепления) песчаных зерен в массе суглинистой или глинистой почвы. При прочной фиксации (в сухой почве), наблюдается наибольший износ металла. При оптимальной влажности почвы, обеспечивающей минимальное удельное сопротивление, износ также минимален в связи со слабой фиксацией песчаных зерен в почве. Увеличение плотности и твердости почвы ведет к увеличению абразивного износа металла, так как фиксация частиц при этом увеличивается.
В супесчаных и песчаных почвах, где мало глинистых частиц, основную связующую и фиксирующую роль играет их влажность. Для этих почв имеется «порог» увлажнения, при котором они обладают максимальным абразивным износом. С уменьшением или увеличением влажности за пределами «порога» абразивный износ уменьшается [3].
Исследованиями установлено, что глинистые и суглинистые почвы обладают наименьшей изнашивающей способностью при 14.18 %-ной абсолютной влажности. С уменьшением влажности от указанного предела изнашивающая способность их увеличивается до определенного значения, после которого она резко уменьшается. Верхний предел влажности составляет 0,4 от значения верхнего предела пластичности. Супесчаные почвы обладают максимальным абразивным износом при абсолютной влажности 14 %. С увеличением или уменьшением влажности от указанного значения абразивный износ этих почв уменьшается. При абсолютной влажности 9.10 % абразивный износ этих почв минимальный.
Имеется наиболее общий критерий абразивного износа почв по содержанию в них «физического» песка (частицы размером больше 0,01 мм). В соответствии с критерием почвы делятся на три группы.
В первую группу входят почвы с малой изнашивающей способностью, содержащие до 80 % «физического» песка; во вторую - супесчаные и песчаные почвы со средним абразивным износом, содержащие от 80 до 95 % «физического» песка и незначительное количество каменистых включе-
нии; в третью включены почвы, содержащие от 95 до 100 % «физического» песка с большим количеством камнеИ и обладающие большим абразивным износом.
Максимальный абразивный износ лемехов для первой группы почв колеблется в пределах от 2 до 30 г/га, второй -около 100 г/га, третьей - до 260 г/га (граммов металла на 1 га пашни с 1 лемеха) [3].
Износостойкость или продолжительность работы без ремонта рабочих органов почвообрабатывающих машин характеризуют количеством обработанных одним рабочим органом гектаров или реже числом рабочих смен (числом часов непрерывной работы) [4].
В качестве основных факторов, определяющих износ рабочих органов почвообрабатывающих машин, выделяются механический состав, влажность, плотность и однородность почвы, скорость движения и форма рабочих органов, а также свойства материалов, из которых они изготовлены.
В настоящее время на почвообрабатывающих машинах используют долотообразные и трапецеидальные лемеха.
Плужные лемеха обычно устанавливают по отношению к дну борозды под углом около 30 0 по передней грани и по от-
ношению к оси движения плуга под углом 40 0. Установка лемехов в большой степени предопределяет характер процесса износа, а также является причиной повышенной нагрузки, приходящейся на носовую часть лемеха.
Характерное изменение контура лемеха представлено на рис. 1 [5]. Наиболее активно изнашивается носовая часть лемеха, в результате чего постепенно исчезает долотообразный выступ. Износ трапецеидального лемеха также свидетельствует о том, что на носовую часть его падает наибольшая нагрузка. Острый угол заднего конца лемеха по мере износа скругляется, что объясняется повышенной скоростью движения частиц почвы, обтекающих этот угол. Износ носка лемеха примерно в 2 раза выше, чем износ средней части. Разница в интенсивности износа носка и середины лемеха для различных почв примерно одинаковая. Поэтому можно полагать, что усиление износа носка не связано с составом почвы, а является следствием изменения давления почвы по кромке лемеха.
Необходимо отметить, что характер износа по всей длине режущей кромки лемеха, включая и носок, существенно не различается. Форма затылочной фаски по
Рис. 1. Изменение контура лемеха в процессе обработки почвы
всей длине лезвия лемеха одинакова, но размеры ее на носке несколько меньше, так как носовая часть сильнее оттянута и имеет обычно более острый угол заточки. Было установлено, что затылочная фаска, образованная при вспашке почв независимо от угла наклона лемеха к дну борозды, не является плоской, а представляет собой элемент криволинейной поверхности [5].
Геометрические параметры лезвия лемеха на различных почвах изменяются по-разному. Однако во всех случаях с тыльной стороны лезвия лемеха образуется затылочная фаска, располагающаяся под отрицательным углом к горизонтальной плоскости. По мере увеличения наработки лемехов интенсивность увеличения ширины площадки износа уменьшается. Несмотря на значительные различия почвенных условий существенной разницы в интенсивности изменения ширины площадки износа на каштановых и черноземных почвах не наблюдается. В то же время интенсивность нарастания ширины площадки износа на серых оподзоленных почвах супесчаного механического состава значительно выше, чем на каштановых и черноземных почвах.
При изнашивании лемехов на песчаных и супесчаных почвах средней или повышенной влажности, а также на суглинистых почвах с высоким содержанием крупных песчаных частиц режущая кромка остается относительно острой. При работе на песчаных и супесчаных почвах лемех работает без ремонта до полного использования технического ресурса. Ширина лемеха в процессе износа уменьшается настолько, что обнажается стойка корпуса
плуга. При повышенной влажности песчаных и супесчаных почв на носовой части лемехов образуется канавка. В этих условиях лемеха отбраковывают при сквозном протирании носовой части.
Износ лемехов на суглинистых и глинистых почвах характеризуется образованием закругленной режущей кромки с выпуклой формой площадки износа, наклоненной ко дну борозды под углом 15...30 0. При вспашке суглинистых и глинистых почв средней и высокой твердости лемеха выбраковывают при значительном недоиспользовании их технического ресурса. Чтобы полностью использовать технический ресурс, заложенный в конструкцию лемехов с однородным лезвием, их необходимо многократно оттягивать. Количество оттяжек зависит от твердости почвы и ее изнашивающей способности. На обработке глинистых и тяжелосуглинистых черноземов высокой твердости лемеха оттягивают до 10.12 раз.
На почвах, засоренных камнями, ресурс лемехов главных образом зависит от прочности носовой части, выступающей над стойкой корпуса [1].
Характер износа лемехов зависит не только от состава почвы, но и от однородности ее свойств по глубине. Практика показывает, что в процессе вспашки почвы лезвие лемеха нередко скользит по твердому дну борозды. В этом случае на режущей кромке лезвия образуется затылочная фаска, параллельная дну борозды.
В отличие от вспашки культивация представляет собой процесс обработки более рыхлой почвы, и это оказывает влияние на характер износа лап культиваторов [5].
Основным показателем, определяющим работоспособность культиваторных лап, является степень подрезания сорняков.
На изменение качества выполнения работы оказывает влияние угол заточки. Увеличение толщины режущей кромки лезвия и угла заточки универсальных стрельчатых лап уменьшает степень подрезания сорняков, среднюю глубину обработки почвы и вызывает повышение неравномерности хода по глубине и тягового сопротивления.
Наиболее интенсивное уменьшение средней глубины культивации у стрельчатых лап происходит по мере увеличения толщины лезвия до 0,8...0,9 мм и угла заточки до 20.22 0, у односторонних лап -соответственно до 0,7.0,8 мм и 18.20 0. Дальнейшее увеличение толщины и угла
заточки лезвия не вызывает значительного изменения глубины обработки, т.е. происходит стабилизация средней глубины культивации.
Большое влияние на подрезание сорняков оказывают почвенные условия (твердость, влажность), а также ботанический состав растительности [1].
На рис. 2 представлен общий случай износа стрельчатых лап культиватора с захватом 270 мм после культивации 40 га легкого приазовского чернозема и с захватом 150 мм после культивации 45 га тяжелого токайского чернозема Ташкентской области. Из схемы видно, что наибольшая интенсивность износа характерна для носка лапы, по мере удаления от носка интенсивность износа режущей кромки лапы снижается.
Интенсивность износа режущей кромки носка стрельчатых лап, как правило, значительно выше, чем режущей кромки перьев. С увеличением плотности почвы износ носовой части лапы повышается, при обработке рыхлой, комковатой почвы износ по контуру лапы выравнивается, по-
скольку давление на носок так же, как и на перья лапы, невелико.
Интенсивность износа стрельчатых лап культиваторов на различных почвах неодинакова. Срок службы стрельчатых лап культиваторов составляет 40.100 ч, что соответствует выработке на одну лапу
80.. .200 га.
Режущая кромка плоскорежущих лап также изнашивается неравномерно. Наиболее активный износ наблюдается в месте перегиба лапы, которое выполняет функции «носка». Здесь лапа испытывает наибольшую нагрузку. Износ лапы в месте изгиба в 2.3 раза выше, чем в средней части.
Срок службы плоскорежущих лап культиваторов примерно такой же, как и стрельчатых.
Радиус затупления места перегиба у плоскорежущей лапы обычно значительно больше, чем носка у стрельчатой. Это может быть объяснено скольжением абразивных частиц вдоль режущей кромки лезвия в процессе его работы. Вертикальная часть лапы в процессе культивации приобретает радиальную конфигурацию.
При сопоставлении износа стрельчатых и плоскорежущих лап на одинаковых почвах видно, что конфигурация изношенных лезвий почти одинакова. Это объясняется, прежде всего, сходными условиями работы.
Если сравнить профили лезвий лап культиваторов, изношенных в различных почвенных условиях, то нетрудно заметить, что в большинстве случаев режущая кромка имеет скругленную форму. Это можно объяснить тем, что производят культивацию рыхлой и комковатой почвы на небольшую глубину (10.12 см). В этих условиях ударение комков почвы о режущую кромку и скольжение ее частиц вдоль лезвия способствуют затуплению режущей кромки [5].
Характер износа лап культиваторов в
большей степени зависит от влажности почвы, которая на глубине культивации в течение сезона изменяется гораздо больше, чем на глубине пахоты. С уменьшением влажности верхняя грань режущей кромки лапы изнашивается активнее. При высокой влажности (22.28 %) общий износ лапы значительно снижается, так как почва становится рыхлой.
Интенсивность износа лезвия возрастает по мере увеличения плотности почвы. Так, лапа, установленная по оси движения колеса культиватора, имеет интенсивность износа примерно в 1,5 раза большую, чем соседняя. При этом затылочная фаска лезвия в результате увеличения плотности почвы выявляется гораздо отчетливее.
Таким образом, характер износа лап культиватора находится в зависимости от влажности и структуры почвы, поэтому в течение сезона на одном и том же участке почвы конфигурация износа может существенно изменяться. В процессе летней междурядной обработки, когда влажность почвы невелика, преобладает износ верхней грани лезвия. При обработке влажной рыхлой почвы интенсивность износа значительно снижается, и верхняя грань лезвия изнашивается очень слабо [5].
Межзаточный ресурс культиватор-ных лап определяется по предельному значению толщины кромки лезвия, а полный ресурс - по выбраковочному значению ширины крыльев в средней части или в месте перегиба лапы. Для того чтобы культиваторные лапы работали до полного износа, их подвергают многократным ремонтам (заточка, оттяжка) [1].
Рабочими органами лущильников яв-
ляются сферические диски. Батареи из трех-десяти дисков подвешивают к раме и устанавливают под углом 15.35 0 относительно линии движения. При движении агрегата диски произвольно вращаются, подрезая пласт почвы. Путем изменения угла, образуемого осями батарей и линией движения агрегата, достигается требуемая глубина и качество лущения.
Износ дисков вызывает уменьшение их диаметра и скругление режущей кром-
ки, в результате чего увеличивается неравномерность глубины лущения и снижается качество обработки почвы. Отклонения от установленной глубины обработки достигают 90 % против допустимых 10 %.
Характер износа дисков лущильника показан на рис. 3 [5]. Затупление диска наступило после 300 га глинистой почвы, при этом величина линейного износа составила 5.6 мм.
Рис. 3. Характер износа дисков лущильников
При среднем темпе нарастания износа дисков по диаметру их выбраковывают после третьей заточки, что соответствует обработке 900.1200 га почвы.
Сошники сеялок СКГН - 6 и СКГН -8 совершают поступательное движение в почве при заглублении около 10 см. При работе на полозьях сошников образуется фаска и одновременно происходит скругле-ние (затупление) лезвия (рис. 4). Об интен-
сивности износа сошников можно судить по результатам испытаний сеялок СКГН - 6 на полях учебно-опытного хозяйства «Зерновое» ВНИИМЭСХ, представленным в таблице. Испытания проводились на пред-кавказском выщелоченном черноземе влажностью 14.16 %. Скорость агрегата составляла 5,5. 6,4 км/ч.
Приведенные данные испытаний свидетельствуют о том, что по мере увели-
Рис. 4. Характер износа лезвий сошников сеялок СКГН - 6 и СКГН - 8 [5] 120 Лесотехнический журнал 3/2013
Таблица
Результаты испытаний полозовидных сошников сеялок СКГН - 6 [5]
Выработка в га Удельный износ в мм/га Линейный износ полоза сошника в мм Глубина заделки семян в см
50 0,032 1,6 10,0
100 0,0255 2,55 8,5
150 0,0212 3,2 7,0
200 0,0175 3,5 6,5
250 0,0151 3,8 6,0
чения износа полозьев сошников снижается глубина заделки семян и нарушаются агротехнические требования к посеву зерновых культур.
Условия работы режущих элементов фрезерных машин имеют ряд существенных особенностей по сравнению с условиями работы других почвообрабатывающих машин, что влияет на характер износа их рабочих органов. К числу особенностей, прежде всего, следует отнести большие скорости резания (9.14 м/с), значительные динамические нагрузки, переменную толщину стружки, угол резания, изменяющийся в зависимости от траектории движения ножа.
Наибольшее затупление лезвия наблюдается на конце ножа. При сопоставлении профилей лезвий, изношенных на различных почвах, установлено, что при работе на песчаных почвах радиус затупления лезвия не превышает 1,7 мм, на торфяных или иловатых почвах радиус затупления достигает 3,5 мм.
Таким образом, влияние механического состава почвы на характер износа ножей барабанных фрез сводится к изменению радиуса затупления лезвий.
Характер износа режущей кромки
чашечных ножей фрез МПГ и ДМК при работе в полевых условиях показан на рис. 5 [5]. Как видно из схемы, изнашивается только часть режущей кромки ножа. Это объясняется тем, что резание производится примерно 1/3 длины режущей кромки.
Износ ножей в песчаных грунтах характеризуется высокой интенсивностью и небольшим радиусом затупления. С увеличением содержания физической глины интенсивность износа уменьшается, а режущая кромка приобретает все более скругленную форму.
Срок службы стандартных чашечных ножей невелик. Браковочных радиус затупления 0,7 мм образуется при работе на песчаном грунте по мелколесью в течение 2.2,5 ч. Следовательно, срок службы ножа до затупления с учетом его двукратного поворота в этих условиях составляет 6.8 ч. При фрезеровании легких и торфянистых почв срок службы ножей несколько выше и в последнем случае может составлять 40.50 ч.
Из всего многообразия факторов, влияющих на износ, практически можно выделить два главных, легко поддающихся количественной оценке:
1) механический состав почвы, опре-
Рис. 5. Характер износа чашечных ножей фрез МПГ после работы: I - 0,5 ч; II - 1,0 ч;
III - 1,5 ч; IV - 2,0 ч
деляющий ее абразивную агрессивность и связность;
2) плотность почвы, определяющую давление на лезвие почвенной массы и интенсивность износа режущей части лезвия.
При изменении одного из этих факторов несомненно будет изменяться интенсивность износа и форма изношенного лезвия.
Другие факторы, характеризующую почву, например влажность, давление, коэффициент трения, необходимо считать побочными, так как их действие может быть выражено через действие механического состава и плотности почвы [5].
Затупление лезвий лап культиваторов, сошников сеялок, ножей фрез, лемехов плугов и дисков лущильников ухудшает подрезание сорняков и снижает качество производимой работы. Кроме того, затупление лезвий и образование у них затылочной фаски увеличивает тяговое сопротивление машины, нарушает устойчивость ее хода по глубине и порождает интенсивное распыление почвы на дне борозды [4].
Однако эти испытания проводились
на открытых сельскохозяйственных площадях. В отличие от них лесокультурные площади, как правило, характеризуются наличием пней, корней и порубочных остатков. Качество подготовки почвы в этих условиях в значительной степени зависит от количества пней, их среднего диаметра, характера распределения корней в обрабатываемой почве. Все эти факторы предъявляют повышенные требования к надежности почвообрабатывающих машин и орудий и, в частности, к остроте лезвий плужных лемехов, подрезных и дисковых ножей.
Кроме того, почвы лесной зоны содержат в своем составе щебнисто-каме-нистые включения, которые вызывают поломки деталей и их интенсивный износ, что является еще одной особенностью эксплуатации почвообрабатывающих орудий и машин в лесном хозяйстве.
Все это существенно влияет на долговечность основных деталей и узлов, особенно на ресурс рабочих органов (лемехов, ножей, рыхлительных лап) и на срок службы машин и орудий в целом и требует проведения дополнительных испытаний.
Библиографический список
1. Винокуров В.Н. Исследование, разработка и внедрение в производство самозатачивающихся рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий: монография. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009. 311 с.
2. Синеоков Г.Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1965. 310 с.
3. Бахтин П.У. Физико-механические и технологические свойства почв. М.: «Знание», 1971. 64 с.
4. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. 328 с.
5. Ткачев В.Н. Износ и повышение долговечности деталей сельскохозяйственных машин. М.: Машиностроение, 1971. 264 с.
DOI: 10.12737/1775
УДК 631.51: 631.312: 628.517
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА УГОЛ ТРЕНИЯ ПОЧВЫ ПО РАБОЧЕМУ ОРГАНУ
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры сельскохозяйственных машин
В. В. Василенко1
заведующий кафедрой электротехники и автоматики, доктор технических наук, профессор
Д. Н. Афоничев1
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механики С. В. Василенко1 магистр техники и технологии, главный инженер Д. В. Стуров 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет
имени императора Петра I» 2 - Государственное бюджетное учреждение Воронежской области «Воронежский лесной селекционно-семеноводческий центр». dmafonichev@yandex.ru, vladva.vasilenko@yandex.ru
Исследование влияния вибрации на коэффициент трения почвы по стальной поверхности проведено в лаборатории кафедры сельскохозяйственных машин Воронежского государственного аграрного университета имени императора Петра I. Схема лабораторной установки представлена на рисунке. В качестве поверхности трения использовался стальной лист с размерами 60^40 см, который был закреплён на наклонной плоскости. Угол наклона плоскости мог плавно изменяться при помощи
винтового механизма. На поверхность трения устанавливался ящик с почвой. У ящика не было дна, и на поверхность трения опирался только выступающий слой почвы. Масса ящика с почвой составляла 5,8 кг. К наклонной плоскости был прикреплён вибратор. В качестве вибратора был использован электродвигатель мощностью 250 Вт с дисбалансом, закреплённым на его валу. Установка позволяла получать вибрацию на верхнем конце наклонной плоскости с частотой 22 ... 24 Гц и амплитудой 2 ... 4 мм.
