Обоснование закономерностей изменения количества ножей активного ротационного рабочего органа для обработки почвы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Обоснование закономерностей изменения количества ножей активного ротационного рабочего органа для обработки почвы

М.М. Константинов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; Г.З. Гайфуллин, д.т.н., профессор, В.Г. Куш-нир, д.т.н., профессор, Р.И. Кравченко, докторант, Коста-найский ГУ имени А. Байтурсынова; М.А. Амантаев, ст.н.с., ТОО Казахский НИИМЭСХ

Почвообрабатывающие орудия с активным приводом рабочих органов по сравнению с их пассивным вращением обладают меньшим тяговым сопротивлением [1]. В таких агрегатах мощность двигателя передаётся через крюк трактора и вал отбора мощности. По этой причине тракторы работают с меньшим буксованием, большим коэффициентом полезного действия [2]. Создание и применение новых орудий с активным приводом рабочих органов способствует снижению расхода топлива, сохранению естественной структуры почвы, снижению вредных выбросов в атмосферу [3—10]. Однако для активных рабочих органов, установленных под углом атаки, и режущие ножи которых наклонены к плоскости вращения, остаётся неизученным вопрос выбора их количества.

Цель исследования — определение количества режущих ножей ротационного рабочего органа.

Материал и методы исследования. Исследовался ротационный рабочий орган (рис. 1). Он состоит из ступицы 1 с закреплёнными спицами 2, на которых жёстко зафиксированы режущие ножи 3. Внешние кромки ножей 3 имеют форму эллипса. Ножи 3 отклонены от оси вращения l-l на угол а. К направлению движения ОХ ротационный рабочий орган установлен под углом атаки р. Рабочий орган имеет принудительный привод и вращается вокруг оси l-l с угловой скоростью ю против часовой стрелки.

Теоретическое исследование по обоснованию числа режущих ножей ротационного рабочего органа выполнено с применением методов теоретической механики и аналитической геометрии. Экспериментальное исследование проводили с физической моделью рабочего органа в почвенном канале, наполненном увлажнённым песком.

Угол атаки составлял 40°, а кинематический коэффициент принимался равным 0,92; 1,18; 1,62; 2,11.

Результаты исследования. В прямоугольной системе координат OXYZ (рис. 1) координаты траекторий движения точек режущих ножей ротационного рабочего органа определяются из следующей системы уравнений:

X = 0- R / Х + R ■ cosP-cos(0±A) + b ■ sin P;

■Y = R ■ sin в-cos(0 ± Д) - b ■ cosP;

Рис. 1 - Схема ротационного рабочего органа: 1 - ступица, 2 - спица, 3 - режущий нож

где X, У, Z — координаты траекторий движения точек режущих ножей;

Я — радиус вращения точки режущего ножа; 6 — угол поворота радиус-вектора от горизонтальной плоскости;

X — кинематический коэффициент, X = ¥0/ V;

V — окружная скорость ротационного рабочего органа;

V — поступательная скорость движения ротационного рабочего органа;

Д — угол между радиус-векторами двух исследуемых точек режущего ножа.

Рассмотрим переднюю точку М1 режущего ножа, для которой Д=0 и Ь = 0. Проекция её траектории движения на координатную плоскость УОХ (рис. 2а) в соответствии с двумя последними уравнениями системы (1) представляет эллипс 1 [3]. Его большая полуось равна Я, а малая Я • Бтр. Заглубление режущего ножа происходит в т. А, а выглубление — в т. Б. Фигура АОБ представляет проекцию обработанного массива почвы на плоскость УОХ. Глубина обработки составляет Н. Аппликата точки А равна Н, в свою очередь

(2)

Z = R [(1 - sin(0± Д)],

(1)

h = R - R ■ sin th,

где th — параметр эллипса t для z=h, уравнение запишем как:

th = arcsin(1 - h / R). (3)

Длина AD равна удвоенной ординате точки А. Найдём ординату точки А и длину AD:

yA = R ■ sin P- costh;

AD = 2 yA = 2R ■ sin P^ costh. (4)

Проекция траектории движения AOD точки Мх в почве на плоскость XOY представляет отрезок прямой AD (рис. 2б). Отрезок AD отклонён от на-

правления движения ОХ на угол у, определяемый из следующего выражения:

y = arctg [ sin в l(k- cosP-1)]. (5)

В свою очередь, проекция траектории движения конечной точки М2 режущего ножа (рис. 1) на плоскость XOY представляет отрезок прямой ВС. Он так же, как и AD, отклонён от направления движения ОХ на угол у. Поэтому AD и ВС параллельны. Соединим прямыми точки А и B, Си D. Вдоль отрезка АВ происходит заглубление в почву всех точек режущего ножа, а по CD — их выглубление.

Отрезки АВ и DC параллельны и отклонены от направления движения ОХ на угол определяемый из выражения:

£ = arctg[b ■ cosP l(±b ■ sin в + 0 • R l A,)]. (6)

Таким образом, параллелограмм АВСD представляет собой вид сверху на борозду, образуемую одним режущим ножом ротационного рабочего органа.

Через точку D проведём плоскость Q, перпендикулярную плоскости XOY и отрезку СD. Тогда отрезок ID будет представлять проекцию поперечного сечения борозды ABCD, образуемой одним режущим ножом ротационного рабочего органа, на плоскость XOY. Поперечное сечение борозды ABCD в плоскости Q представляет часть эллипса 2 TOD с большой полуосью, равной R (рис. 2в). Малую ось эллипса определим следующим образом. В плоскости Q выберем систему координат YOZ, у которой ось OZ перпендикулярна плоскости XOYи делит отрезок TD пополам, а OYперпендикулярна отрезкам АВ и CD.

Аппликата точки Т второго эллипса также определяется по формуле (2), так как глубина обработки h и большие оси обоих эллипсов одинаковы. По этой причине параметр th второго эллипса, как и у первого, можно найти по уравнению (3). Найдём ординату точки Т и длину TD:

Ут = b'costh; (7)

TD = 2 yT = 2b'• costh.

С другой стороны, из треугольника ATD

TD = AD • sin ZTAD, (8)

где ZTAD = . В треугольнике ADK:

AD = AK/cosZDAK; ZDAK = 90°-у;

AK = AD = 2R • sin р-costh.

С учётом отмеченного

TD = 2R • sinР- costh sin(y-^)/siny. (9)

Приравняв выражения (8) и (9), определим малую полуось второго эллипса:

V=R • sin ß- sin (у-/sin у.

(10)

По известным параметрам эллипса определим расстояние между соседними режущими ножами для обеспечения необходимого уровня гребнисто-сти дна борозды.

На рисунке 3 в системе координат YOZ приведены два эллипса 2 и 3, отражающие траектории движения двух соседних режущих ножей. Первый нож формирует борозду, поперечное сечение которой характеризуется элементом эллипса TOD. Второй нож формирует борозду, поперечное сечение которой характеризуется элементом эллипса TOD. Фигура ОКО характеризует необработанную часть почвы, или так называемый гребешок. Его высота характеризуется величиной с. Для дисковых рабочих органов c < 0,5h [1]. Определим расстояние l между большими осями эллипсов, которое бы обеспечило необходимую величину с. Ордината точки М, являющейся пересечением эллипса 2 с горизонтальной линией, расположена на высоте с от дна борозды:

Рис. 2 - Проекции траектории движения передней точки режущего ножа на координатные плоскости УОХ (а), ХОУ (б) и УОХ (в).

zj = c = R - R • sin tc. Из формулы (11) определим угол tc:

tc = arcsin(1 - c / R). (12)

Ордината точки М определяется как:

yc = R ■ sinP^ sin (y-%) ■ costc/sin y. (13)

По рисунку 3 расстояние между большими осями эллипсов l определяется следующим образом:

l = 2yc = 2R ■ sinP^ sin (y-%) ■ costc/sin y. (14)

Для обеспечения расстояния l в системе координат YOZ разность путей Ах между соседними ножами по оси ОХ системы координат XO Y должна быть следующей (рис. 3):

Дг = AB = BC/sin %

Количество режущих ножей на ротационном рабочем органе равно:

или

Дг = 2R ■ sin P ■ sin (у- %) ■ costc /sin у ■ sin %. (15)

n = 2п / e,

(18)

С учётом (17) получим конечную формулу для определения количества ножей на ротационном рабочем органе:

n = п sin у^ sin % / X^ sin P^ sin (y-%) ■ costc. (19)

На основе формулы (19) построены графики зависимости количества режущих ножей от угла атаки р и кинематического коэффициента X (рис. 4). Из них было видно, что с увеличением угла атаки р и кинематического коэффициента X количество режущих ножей уменьшается. Например, с увеличением угла атаки от 20 до 40° при X = 1 количество режущих ножей снижается от 28 до 12 штук. В свою очередь, при увеличении X от 1,0 до 2,2 при р = 40° количество ножей снижается от 12 до 5 штук.

Рис. 3 - Схема для определения расстояния между соседними режущими ножами

Из первого уравнения системы (1) определим

Ах:

Дг = 0, ■ R / X, (16)

где 0l — центральный угол между соседними ножами ротационного рабочего органа. Из формулы (16) следует, что

0, = Дг ■X / R,

или с учётом (15) получим:

0, = 2X^ sin P^ sin(y-%) ■ costc/sin y^ sin %. (17)

Рис. 4 - Зависимость количества режущих ножей ротационного рабочего органа от угла атаки Р и кинематического коэффициента X

На рисунке 5 приведён вид поперечного сечения борозды, сформированной двумя смежными режущими ножами. Борозда получена при физическом моделировании работы ротационного рабочего органа. В данном случае при угле атаки 40°, кинематическом коэффициенте 0,92, глубине обработки 28 мм и угле между режущими ножами 30° формируется сдвоенная борозда, высота гребешка между которым составляет 14 мм, т.е. 0,5И.

На рисунке 6 приведены зависимости центрального угла между режущими ножами 6, и числа режущих лопаток ротационного рабочего органа от высоты гребешка с. По рисунку видно, что с увеличением с от 0,25 И до И угол 6, возрастает от 22 до 42°, а количество режущих ножей уменьшается от 16,4 до 8,5 шт. Для практического применения полученные числа необходимо округлить до ближайшего большего целого числа. При с = 0,5И число ножей должно составлять 11,6 шт., округлив, получим 12.

Приведённые на рисунке 6 данные свидетельствуют о совпадении теоретической зависимости 6, от высоты гребешка с с результатами экспериментов.

Рис. 5 - Вид поперечного сечения борозды, сформированной двумя смежными режущими ножами при 0, = 30°; Р = 40°; X = 0,92

о,г о,4 o,s о,a i c-h

Рис. 6 - Зависимости угла 0, и числа режущих ножей ротационного рабочего органа от высоты гребешка с при Р = 40°; X = 0,92: -▲-▲-▲- - экспериментальные данные; --теоретические данные

Выводы.

1. Получено аналитическое выражение для определения числа режущих ножей ротационного рабочего органа, небходимых для обработки почвы при заданном качестве обработки.

2. Установлены закономерности изменения числа режущих ножей от угла атаки и кинематического коэффициента ротационного рабочего органа. С увеличением угла атаки р и кнематического коэффициента X количество режущих ножей уменьшается.

3. В результате исследования определено что при угле атаки 40°, кинематическом коэффициенте 0,92, высоте гребешка 0,5h количество режущих ножей ротационного рабочего органа составляет 12 шт.

Литература

1. Синеоков Г.Н., Панов Н.М. Теория и расчёт почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. 328 с.

2. Соловейчик А.А., Шевцов В.Г., Орлов Н.М. Теория и расчёт мобильных агрегатов с активными рабочими органами, совмещающими функции движителей. М.: ВИМ, 2009. 183 с.

3. Панов И.М. Механико-технологические основы расчёта и проектирования почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами: автореф. дисс. ... докт. техн. наук. Челябинск, 1984. 36 с.

4. Акимов А.П., Медведев В.И. Ротационные рабочие органы - движители. М.: Изд-в МГОУ, 2004. 233 с.

5. Aluko, O.B. and D.A. Seig, An experimental investigation of the characteristics of and conditions for brittle fracture in two-dimensional soil cutting // Soil and Tillage Research. 2000. № 57. Р. 143-157.

6. Godwin, R.J., D.A. Seig and M. Allott, Soil failure and force prediction for soil engaging discs // Soil Use and Management. 1987. № 3 (3). Р. 106-114.

7. Hettiratchi, D.R.P., Predicting the draught requirements of concave agricultural discs // Journal of Terramechanics. 1997. № 3 (34). Р. 209-224.

8. Hettiaratchi, D.R.P., The soil contact zones of concave agricultural discs: Part 1, Theoretical analysis // J. Agric. Engng. Res. 1997. № 67. Р. 113.

9. Казаков Ю.Ф. Обоснование параметров и режима работы эллиптического лопастного бороздовскрывателя дерниной сеялки: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Саратов, 2001. 245 с.

10. Константинов М.М., Нуралин Б.Н. Удельные энергозатраты на фрезерование верхнего слоя почвы // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2010. № 4 (28). С. 65-70.

Анализ дисковых орудий для поверхностной обработки почвы

Е.В. Припоров, к.т.н., Р.Н. Марушко, соискатель, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ

Известно, что урожайность зерновых зависит от многих факторов, в их числе — качество семенного материала, плодородие почвы, качество подготовки почвы к посеву и ряд других. Авторами доказана перспективность оптимизации конструктивных параметров подающего устройства зерноочистительной машины МВУ-1500 [1]. Включение в линию послеуборочной обработки оптического фотосепаратора позволяет получить чистоту семенного материала более 99% [2—4].

Авторами разработана конструкция распределителя минеральных удобрений, которая

обеспечивает равномерное их распределение по поверхности почвы [5, 6]. Навесной способ агрегатирования распределителя минеральных удобрений с трактором нарушает продольную устойчивость агрегата во время холостого хода. Для обеспечения управляемости ведущих колёс трактора во время холостого хода требуется установка балластных грузов определённой массы [7]. Энергосберегающий режим работы двигателя трактора в составе агрегата определяется по методике, разработанной авторами, и корректируется в процессе движения агрегата [8].

Современные ресурсосберегающие технологии минимальной обработки почвы предусматривают обработку дисковыми орудиями. Эти орудия требу-