Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
При выполнении технологического процесса обработки почвы, самоходная фреза перемещается за счет силы сцепления ведущих колес с почвой. Мощность двигателя расходуется на преодоление сопротивлений перекатывания ведущих колес, трение опорного полозка о почву и сопротивление резанию почвы активными рабочими органами, а часть мощности теряется в трансмиссии. Учитывая специфику особенностей функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения активных рабочих органов, а именно его тягово-приводной характер работы, то условием, обеспечивающим его равномерное движение, является уравнение тягового баланса. При перемещении по полю самоходной фрезы между ведущими колесами и почвой возникает сила тяги FTK, которая направлена на преодоление сил сопротивления при перекатывании ведущих колес FCK и на преодоление силы трения Ffп опорного полозка с почвой. В процессе обработки почвы ножами роторов возникают силы, Fy1(Fy2), Fx1(Fx2). На почвообрабатывающий агрегат так же действует сила тяжести Fgм, приложенная в центре тяжести, которую можно разложить на составляющие: на силу тяжести Fgк, приходящуюся на ведущие колеса и на силу тяжести Fgф, приходящуюся на почвообрабатывающею фрезу. Исходя из анализа сил, действующих на самоходную малогабаритную почвообрабатывающую фрезу с вертикальной осью вращения активных рабочих органов, составлено условие неравномерного движения (устойчивости движения). Решение уравнения относительно количества роторов позволяет получить зависимость их оптимального количества от конструктивных параметров фрезы, режимов работы и почвенных условий.
ротор, устойчивость движения,вертикальная почвообрабатывающая фреза, буксование ведущих колес, почва
Введение. Как показывают исследования в области функционирования средств малой механизации, а именно малогабаритных почвообрабатывающих фрез, фрезерных мотокультиваторов и мотоблоков в агрегате с тяговыми и приводными рабочими органами, одним из основных критериев, характеризующих высокую эффективность работы почвообрабатывающих агрегатов, является обеспечение их условий устойчивости [1, 2].
Вопросы устойчивости движения самоходных малогабаритных машин при их агрегатировании с плугом или почвообрабатывающей фрезой представлены в работе [2]. При этом решение ряда вопросов было дано в общем виде, что не позволяет обеспечить комплексный подход при изучении вопроса устойчивости движения с учетом технологических режимов работы машины и конкретных почвенных условий. Более подробно устойчивость движения самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с ведущими колесами представлены в исследованиях [3, 4, 5]. Исследователями были получены условия обеспечивающие устойчивость движения машины при отсутствии буксования ведущих колес, самопроизвольного перекатывания и качания в продольно вертикальной плоскости. Однако данные условия получены с учетом специфики взаимодействия активных рабочих органов (АРО), имеющих горизонтальную ось вращения с почвой и заключающихся в подталкивающем и выглубляющем эффекте.
Цель исследования: установление условия устойчивости и определение основных конструктивных параметров самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения активных рабочих органов при равномерном движении.
Условия, материалы и методы исследований. Опираясь на ранее проведенные теоретические исследования устойчивости движения самоходных малогабаритных машин, предлагается анализ устойчивости движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО.
При выполнении технологического процесса обработки почвы, самоходная фреза перемещается за счет силы сцепления ведущих колес с почвой. При этом мощность двигателя расходуется на преодоление сопротивлений при перекатывании ведущих колес, при трении опорного полозка о почву и сопротивление резанию почвы на АРО, а также часть мощности теряется в трансмиссии [3, 4].
Учитывая специфику особенностей функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО, а именно его тягово-приводной характер работы, то условием, обеспечивающим его равномерное движение, будет, уравнение тягового баланса. Составим расчетную схему сил, действующих на почвообрабатывающею фрезу с вертикальной осью вращения АРО в продольно-вертикальной плоскости (рисунок 1).
При перемещении по полю самоходной фрезы между ведущими колесами и почвой возникает сила тяги FTK, которая направлена на преодоление сил сопротивления перекатыванию ведущих колес FСK и силы трения Ffп опорного полозка с почвой. Для управления фрезой оператор прикладывает к органам управления усилия Fр, в расчетах принимаем равное нулю. Кроме этого, при анализе устойчивого движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО полагаем, что поверхность почвы ровная и горизонтальная.
В процессе обработки почвы ножами роторов возникают силы Fy1(Fy2), Fx1(Fx2). На почвообрабатывающий агрегат так же действует сила тяжести Fgм , приложенная в центре тяжести (т. В), которую можно разложить на составляющие: на силу тяжести Fgк, приходящуюся на ходовые колеса (приложена в т. А) и на силу тяжести Fgф, приходящуюся на почвообрабатывающею фрезу (приложена в т. С).
Таким образом, опираясь на схему действующих сил (см. рисунок 1), составим уравнение устойчивости движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО.
Условие устойчивости по отсутствию буксования будет иметь вид:
(1)
где FTK – сила тяги на ведущих колесах, Н; FСK – сила сопротивления перекатыванию ведущих колес, Н; Ffп – сила трения опорного полозка с почвой, Н; Fx1(Fx2) – силы сопротивления резанию на ножах отдельного ротора, Н.
Анализ и обсуждение результатов исследований. Для определения силы тяги на ведущих колесах воспользуемся рекомендациями [7], согласно которым силу FTK с достаточно высокой степенью точности можно определить по формуле:
FTK=kcFgк, (2)
где kс – коэффициент сцепления ведущих колес с почвой; Fgк – сила тяжести машины на оси ведущих колес, Н.
Учитывая весовые характеристики, а именно массу мотоблока и их компоновку силу Fgк, можно приложить к центру вращения ведущих колес (т. А) и представить в виде:
Fgк=mмg, (3)
где g – ускорение сводного падения, м/с2; g = 9,81 м/с2.
Тогда с учетом (3) выражение (2) примет вид:
FTK=kcmмg. (4)
Природу силы сопротивления перекатыванию изучали многие исследователи [7, 8, 9, 10]. Она зависит от различных факторов, основными же являются свойства почвы (структура, механический состав, влажность, сопротивление сжатию и сдвигу, микрорельеф поверхности) и свойства ходового аппарата (у колесных машин – радиус качения, ширина профиля, тип протектора, давление воздуха в шине). Если свойства ходового аппарата стабильны по величине и их можно определить заранее, то свойства почвы имеют вероятностный характер, и их влияние на силу сопротивления перекатыванию в большинстве случаев можно определить только во время взаимодействия ходового аппарата с почвой. В силу этого можно утверждать, что и сила сопротивления перекатыванию будет иметь вероятностную составляющую.
Силу сопротивления перекатыванию ведущих колес согласно рекомендациям [7, 8, 9] и схемы сил (см. рисунок 1) можно определить по формуле:
FСK=μFgк, (5)
где µ – коэффициент сопротивления качению ходовых колес.
Для определения коэффициента µ согласно [10, 11, 12] рекомендуется применять формулу Гранвуане-Горячкина, которая имеет следующий вид:
(6)
где q– объемный коэффициент смятия почвы, Н/м3; bк– ширина обода колеса, контактирующего с почвой, м.
Объемный коэффициент смятия почвы можно представить в виде [3]:
q = (0,044p+0,0038)109 (7)
Таким образом, после подстановки (6) в (5) с учетом (3),(7) и ряда преобразований получим:
(8)
Силу Ffп определим из рисунка 1, т.е.
(9)
где f – коэффициент трения опорного полозка о почву; Fgф – сила тяжести мотоблока, приходящаяся на фрезу, Н, Fy – заглубляющие силы на ножах отдельного ротора,H.
Учитывая ограничения, накладываемые на оператора, работающего с мотоблоком [6] выразим значение силы Fgф через максимально возможное усилие рабочего на органах управления [Fp]. Тогда исходя из схемы сил (см. рисунок 1) получим:
(10)
где [Fp] – максимально возможное усилие рабочего на органах управления, Н; l3 и l2 – расстояние между осью ведущих колес и точками приложения сил Fp и Fgф соответственно, м.
, (11)
где n – количество роторов.
После последовательной подстановки (10) и(11) в (9) получим:
(12)
Силу сопротивления резания ножей ротора можно представить в виде:
(13)
Таким образом, полученные зависимости (4), (8), (12) и (13) подставляем в (1) и получаем условие устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРОв продольно-вертикальной плоскости при условии обеспечения ее равномерного движения в развернутом виде:
(14)
или:
(15)
Дальнейшие решение уравнения (15) относительно количества роторовn (рисунок 2) позволяет получить зависимости их оптимального количества в зависимости от конструктивных параметров фрезы, режимов работы и почвенных условий.
Таким образом, полученные уравнения (15) и (16) характеризуют условие устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающих фрезы с вертикальной осью вращения АРО и количество роторов при условии ее равномерного движения и связывает между собою основные силовые факторы взаимодействия роторов при обработке почвы, режимы работы с весовыми характеристиками, конструктивными параметрами машины и почвенными условиями.
Выводы. 1. Получено уравнение устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО продольно-вертикальной плоскости при условии ее равномерного движения.
2. Получена зависимость оптимального количества роторов самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО от конструктивных параметров машины и почвенных условий.
1. Уланов А. С., Шляпников М. Г., Гусев А. Ю. Купряшкин В. В. К вопросу устойчивости работы мотоблока в агрегате с плугом // XII Международ. науч.-практ. конф. в рамках XVIII Междунар. агропромыш. выст. «Агроуниверсал - 2016»: Сб. науч. ст. под общ. ред. А. Т. Лебедева. - Ставрополь: АГРУС Ставропольского ГАУ, 2016. - С. 144-15
2. Купряшкин В. Ф. Устойчивость движения и эффективное использование самоходных почвообрабатывающих фрез. Теория и эксперимент : монография / В. Ф. Купряшкин. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2014. - 140 с.
3. Безруков А.В.Повышение эффективности функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы за счет адаптации ее режимов к условиям работы :автореф. дис. ... канд. техн. наук / А. В. Безруков. - Саранск, 2016. -18 с.
4. Tarverdyan. A. P. Results of the study of kinematic and dynamic parameters of the tillage machine with a vertical axis of rotation in the cultivation of garden crops A. P. Tarverdyan, S. F. Sargsyan, A.V. Altunyan Annals of agricultural science, Volume 15, Issue 2, June 2017, Pages 163-168.
5. Фирстов А. Ф. Самоходная почвообрабатывающая фреза с комбинированными рабочими органами / А. Ф. Фирстов, А. С. Уланов, В. Н. Купряшкина [и др.] // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции : материалы XIМеждунар. науч.-практ. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2015. - С. 383 - 389.
6. ГОСТ 12.2.140-2004. Тракторы малогабаритные. Общие требования безопасности. - М.: Изд-во стандартов, 2005. - 12 с.
7. Наумец Н. И. К определению тяговых усилий, необходимых для передвижения тракторов / Н. И. Наумец // Тракторы и сельхозмашины. - 1958. - № 1. - С. 7 - 8.
8. Нафиков М. З. Расчет сопротивления движению трактора / М. З. Нафиков, И. С. Поляков // Тракторы и сельхозмашины. - 1968. - № 1. - С. 14 - 16.
9. Полетаев А. Ф. Качение ведущего колеса / А. Ф. Полетаев // Тракторы и сельхозмашины. - 1964. - № 1. - С. 11 - 15.
10. Синеоков Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г. Н. Синеоков, И. М. Панов. - М. : Машиностроение, 1977. - 328 с.
11. Thakur T. C. Current state of force prediction models for rotary mechanized tillage tools T. C. Thakur, R. J. Godwin Journal of Thermomechanics, Volume 26, Issue 2, 1989, Pages 121-138.
12. Zhiyong Chan. Design and experiments of biomimetic stubble cutter Zhiyong Chan, Wei Liu, Jin Tong, Li Guo, Donghui Chen Journal of bionic engineering, Volume 13, Issue 2, April 2016, Pages 335-343
