close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование конструктивно - режимных параметров вибрационного культиватора для предпосевной обработки почвы

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Трофимов Иван Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО КУЛЬТИВАТОРА
ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства
механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Оренбург, 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Оренбургский государственный аграрный университет».
Научный руководитель:
почётный работник ВПО РФ,
доктор технических наук, профессор
Константинов Михаил Маерович,
ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный
аграрный университет»
Официальные оппоненты: Дёмшин Сергей Леонидович,
доктор технических наук, доцент, ФГБНУ
«Федеральный аграрный научный центр СевероВостока имени Н.В. Рудницкого», заведующий
лабораторией механизации полеводства;
Щукин Сергей Геннадьевич,
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный
аграрный университет», заведующий кафедрой
«Технологических машин и технологий
машиностроения»
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Башкирский
государственный аграрный университет»
Защита диссертации состоится 26 октября 2018 г. в 12.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций
Д 220.051.02 при ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» по адресу: 460014, г. Оренбург, ул. Коваленко, д. 4 (корпус № 3 ОГАУ, инженерный факультет), ауд. 500.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного аграрного университета. Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет»
http://www.orensau.ru и на сайте ВАК РФ http://www.vak.ed.gov.ru.
Автореферат разослан «____» ____________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Ю.А. Ушаков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На протяжении многих лет сельское хозяйство не полностью использовало посевные площади, что привело к их снижению. В свою
очередь происходило зарастание полей сорной растительностью. Тенденции, направленные на ввод посевных площадей в севооборот после 7 – 15-летнего «отдыха», привело к благоприятному росту сорняков, что в последствие повлияло на
урожайность и уход за посевами. В этом случае очень важной задачей является
подготовка поля к посеву с соблюдением всей технологии возделывания культурных растений.
Основная масса перезимовавших и старолежалых семян прорастает в апреле на юге и в мае – в более северных районах. Только в пропашных культурах и
на чистых парах сорняки частично прорастают во влажной почве после каждого
рыхления. В дерново-подзолистой почве около 73 % сорных растений прорастает
с глубины 0 – 5 см, 13 % – с 5 – 10 см, 8 % – с 10 – 15 см и около 6 % – с глубины
свыше 15 см.
Следует отметить, что серийные культиваторы подвержены налипанию почвы
и забиванию сорной растительностью рабочих органов.
Для решения этой проблемы необходим новый подход, связанный с качественной обработкой почвы за счёт перспективных культиваторов.
Степень разработанности темы. Вопросам мелкой обработки почвы за
счёт вибрационного воздействия посвящены научные труды многих отечественных учёных, к числу которых можно отнести А.А. Дубровского, Н.Г. Дубровина,
О.В. Верняева, А.С. Лимонта, В.П. Мармалюкова, В.А. Милюткина, С.Г. Мударисова, Н.М. Ибрагимова, О.А. Денисову, С.Л. Дёмшина, С.Е. Фёдорова, М.М. Констанинова, С.Н. Дроздова, С.Г. Щукина и других. За рубежом проблемой вибрационной обработки почвы занимались H.Р. Harrison, Hiroshi Nakashima.
Таким образом, можно утверждать, что проблема оптимизации конструктивных и эксплуатационных параметров почвообрабатывающих машин достаточно
актуальна и имеет важное научное и народно-хозяйственное значение.
Цель работы. Совершенствование эксплуатационно-технологических показателей культиватора для мелкой обработки почвы за счёт использования энергии
направленных колебаний рабочих органов.
Согласно поставленной цели определены задачи исследований.
1. Установить основные направления повышения эффективности мелкой обработки почвы, выполнить теоретические исследования процесса взаимодействия
с почвой культиватора, оснащённого маятниковым вибратором направленного
действия и обосновать его параметры.
2. Обосновать конструктивно-технологическую схему и изготовить орудие
обработки почвы на основе использования энергии направленных колебаний.
3. Провести производственную проверку культиватора, оснащённого вибровозбудителем.
4. Выявить технико-экономическую эффективность внедрения и использования нового культиватора.
Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия рабочих
органов культиватора с почвой при использовании маятникового вибратора направленного действия с изменяемыми геометрическими параметрами.
3
Предмет исследования. Закономерности влияния конструктивно-режимных
параметров вибровозбудителя, установленного на культиваторе, на тяговое сопротивление и качество обработки почвы.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования технологического процесса предпосевной обработки почвы посредством предлагаемого культиватора выполнялись с применением основных положений, законов,
методов классической теории сельскохозяйственных машин, земледельческой механики, физики, матмоделирования и агротехнологий.
Научную новизну работы составляют:
– совокупность теоретических и экспериментальных исследований влияния
конструктивно-режимных параметров вибровозбудителя на энергетические и качественные показатели работы культиватора;
– обоснованные параметры маятникового вибратора направленного действия
с изменяемыми геометрическими параметрами;
– аналитические зависимости, описывающие преобразование энергии вибровозбудителя направленных колебаний;
– результаты полевых экспериментов, описывающие зависимости между интенсивностью воздействия на почву энергии вибрации, передаваемой через рабочие органы культиватора, и агротехническими показателями выполнения предпосевной обработки почвы.
Теоретическая и практическая значимость работы. По результатам теоретических исследовании разработали вибровозбудитель направленных колебаний с
регулируемыми параметрами. Применение экспериментального вибровозбудителя на почвообрабатывающем орудии для предпосевной обработки почвы позволяет снизить тяговое сопротивление на 18,2 % и часовой расход топлива на 16,7 %,
при снижении плотности почвы на 13,6 %.
Вклад автора в проведенное исследование. Разработана модель процесса
обработки почвы почвообрабатывающим орудием с вибровозбудителем, получены аналитические зависимости, характеризующие изменение тягового сопротивления и амплитуды колебания усовершенствованного почвообрабатывающего
орудия, проведены полевые и производственные исследования почвообрабатывающего орудия, оснащённого вибровозбудителем.
Достоверность результатов работы подтверждается высокой сходимостью
теоретических и экспериментальных данных результатов исследования разработанного вибровозбудителя на почвообрабатывающем орудии для предпосевной
обработки почвы.
Реализация результатов исследований. Производственные испытания
экспериментального образца культиватора КПС-4М в п. Ленина Оренбургского района Оренбургской области показали эффективность его использования
для лучшей подготовке поля под посев. Результаты НИР внедрены в учебный
процесс инженерного факультета ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ, ФГБОУ ВО
Самарская ГСХА, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, Костанайского ГУ (Казахстан).
Основные положения, выносимые на защиту:
– аналитические закономерности, характеризующие тяговое сопротивление
культиватора с вибровозбудителем;
4
– теоретическая модель закона движения культиватора, оснащенного вибровозбудителем;
– конструкция вибровозбудителя с регулируемыми конструктивнорежимными и геометрическими параметрами;
– результаты экспериментальных исследований, подтверждающие зависимость энергетических и агротехнических показателей работы усовершенствованного культиватора с вибровозбудителем;
– показатели экономической эффективности использования культиватора с
вибровозбудителем.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на научно-практических конференциях молодых учёных и специалистов
(Оренбург, 2016 – 2018 гг.), на международных научно-практических конференциях (Оренбург, 2017 – 2018 гг.), на конференции «Актуальные проблемы научнотехнического обеспечения процессов и производств в АПК» Новосибирского
государственного аграрного университета (Новосибирск, 2016 г.), на международной конференции ФГБНУ «Оренбургский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» (Оренбург, 2017 г.).
Публикация материалов исследования. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства
образования и науки РФ. Объем публикаций составляет 3,08 п.л., из них автору
принадлежит 1,52 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований. Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц,
30 рисунков и 5 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы и ее научная и практическая значимость.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» рассмотрено
состояние почв в Оренбургской области, особенности обработки почв и влияние
мелкой обработки почвы на рост культурных растений, выявлены методы снижения
тягового сопротивления культиваторов, предложен вариант реализации вынужденных колебаний почвообрабатывающего орудия для предпосевной обработки почвы.
Методам снижения тягового сопротивления культиваторов для мелкой обработки почвы посвящено множество работ таких авторов: А.Д. Аджиловского,
В.И. Виноградова, В.П. Горячкина, С.Л. Дёмшина, А.А. Дубровского, С.Н. Дроздова, В.А. Желиговского, А.И. Завражного, А.Б. Когана, М.М. Константинова,
С.Г. Мударисова, Я.Г. Пановко, Р.С. Рахимова, Г.Н. Синеокова, С.Г. Щукина и других ученых, изучение трудов которых определило направление исследования.
Как показывают результаты проведённого анализа способов снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин для предпосевной обработки
почвы, можно сказать, что все существующие конструкции, направленные на снижение тягового сопротивления и качество обработки, несмотря на преимущества,
обладают рядом существенных недостатков. Сложные геометрические формы ра5
бочих органов неразрывно связаны с изменением качества обработки почвы. Кроме
того, они не обеспечивают постоянства их характеристик по мере износа рабочих
поверхностей, что сопровождается резким увеличением удельного тягового сопротивления с одновременным снижением качества обработки. Так же предложенные
варианты вибрационных процессов взаимодействия рабочих органов культиваторов с почвой сложны в эксплуатации и имеют большую металлоёмкость.
Во второй главе «Теоретические исследования культиватора с вибровозбудителем» разработана теоретическая модель процесса взаимодействия рабочих органов культиватора с почвой, оснащённого механическим вибровозбудителем, и выведено уравнение тягового сопротивления. На основании полученных
результатов предложен способ возмущения направленных колебаний за счёт
маятникового вибратора направленного действия. Установлено выражение для
определения амплитуды колебания почвообрабатывающего орудия, создаваемого вибровозбудителем при движении в дорезонансном режиме, и конструктивнорежимных параметров вибровозбудителя, физико-механических свойств почвы и
агротехнологических параметров работы.
Для анализа процесса рассмотрим рабочий орган в виде стрельчатой лапы, которая под действием возмущающих сил Fгор и Fвер оказывает ударное воздействие
на почву (рис. 1).
В общем виде выражение для определения тягового сопротивления колеблющегося рабочего органа можно записать так:
Rг = Fр + Fтр1 + Fтр2 + Fст + Fин + Fсс;
(1)
Rв = Fотр,
где Rг – сопротивление рабочего органа в горизонтальной плоскости, Н;
Rв – сопротивление рабочего органа в вертикальной плоскости, Н;
Fр – сила резания пласта лезвием рабочего органа, Н;
Fтр1 – сила трения почвенного пласта о верхнюю поверхность рабочего органа, Н;
Fтр1 – сила трения почвенного пласта о нижнюю поверхность рабочего органа, Н;
Fст – сила сопротивления о стойку, Н;
Рисунок 1 – Схема стрельчатой лапы, воздействующей на почвенный пласт
6
Fотр – сила подъёма пласта рабочим органом, Н;
Fин – сила инерции почвы, Н;
Fсс – сила сопротивления среды,
Н;
α – угол крошения, град.;
β – угол наклона лезвия лапы, град.
На основании моделирования
уравнения 1 получена зависимость
тягового сопротивления рабочих органов культиватора КПС-4М от его
скорости R = f (V) (рис. 2) в зависимости от направления вынужденных
колебаний.
Таким образом, наибольшая эффективность вибрационного орудия
будет, когда одновременно действуют
колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Уравнение тягового сопротивления культиватора,
оснащённого вибровозбудителем для
создания направленных колебаний в
горизонтальной и вертикальной плоскостях, выглядит следующим образом:
Rг =
σb ⋅ (V + σпп ⋅
1
) ⋅ ∆t ⋅ s
E ⋅ρ
1
1
⋅
E ⋅ρ g ⋅ lст
2 ⋅ σпп ⋅
Рисунок 2 – Теоретическая зависимость
тягового сопротивления от скорости
движения культиватора КПС-4М:
1 – пассивный рабочий орган; 2 – рабочий
орган совершает колебания от действия возмущающей силы Fгор; 3 – рабочий орган совершает колебания от действия возмущающей силы Fвер; 4 – рабочий орган совершает
одновременно колебания от возмущающих
сил Fгор и Fвер
2
 m ⋅ A1 ⋅ ω2 
+ mпл ⋅ g ⋅ cos(α + β) ⋅ f ⋅ 1 − 
 +
 f ⋅ N1 
2
 m ⋅ A2 ⋅ ω2 
 2d ⋅ f 
+ mр ⋅ g ⋅ cos α ⋅ f ⋅ 1 − 
 + ρ1 ⋅ a1 ⋅ b ⋅ 1 +
+
⋅
f
N
b 

2


+Vп ⋅ρ ⋅
RВ =
σпп ⋅
1
E ⋅ρ
∆t
8 E ⋅ I ⋅ hотр
l3
+ c ⋅ Aп ⋅
(2)
ρ ⋅V 2
;
2
,
где σb – предел прочности почвы при осевом растяжении сжатии, Па;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
lст – статическая деформация пласта почвы под действием веса рабочего органа, м;
Δt – время совершения одного колебания, с;
7
σп.п – предел прямой пропорциональности при сжатии почвы, Па;
E – модуль упругости почвы при сжатии, Па;
ρ – плотность почвы, кг/м3;
V – скорость рабочего органа, м/с;
s – ширина захвата рабочего органа, м;
f – коэффициент сухого трения между почвой и сталью;
mпл – масса почвы над рабочим органом, кг;
mр – масса рабочего органа и масса почвы, расположенная над рабочим органом, кг;
α – угол крошения, град.;
β – угол наклона лезвия лапы, град.;
N1 – сила нормального давления, приложенная к верхней части рабочего органа, Н;
N2 – сила нормального давления, приложенная к нижней части рабочего органа, Н;
ω – частота колебаний, рад/с;
A1, – амплитуда колебания почвы над рабочим органом, м;
A2 – амплитуда совместного колебания почвы и рабочего органа, м;
ρ1 – удельное сопротивление пласта почвы прорезанию стойкой, Н/м2;
a – длина рабочей части стойки по глубине обработки (глубина обработки), м;
d и b – ширина и толщина стойки, м;
j – среднее ускорение почвы, м/с2;
Vп – объём почвы, участвующий в обработке за единицу времени Δt, м3;
mп.п – приведённая масса почвы в точку удара перед рабочим органом, кг.
c – коэффициент сопротивления, зависит от формы рабочего органа;
Aп – площадь проекции рабочего органа в плоскости движения его в почвенной среде, м2;
I – осевой момент инерции сечения почвенного пласта, м4;
l – длина изогнутой части почвенного пласта по поверхности рабочего органа,
м;
hотр – величина изгиба почвенного пласта, м.
Рисунок 3 – Конструктивная
схема маятникового
вибратора направленного
действия с регулируемыми
конструктивными параметрами:
1 – трактор; 2 – почвообрабатывающее орудие; 3 – прицепное звено;
4 – рама; 5 – рабочий орган; 6 –
опорное колесо; 7 – гидроцилиндр;
8 – вал отбора мощности; 9 – карданная передача; 10 – шарнир; 11 –
маятниковый вибратор направленного действия; 12 – дебалансы;
13 – грузы; 14 – пружины сжатия;
А – полость
8
Учитывая результаты проведённого анализа, была разработана схема культиватора с вибровозбудителем, который представляет собой маятниковый вибратор
направленного действия с регулируемыми конструктивно-режимными параметрами (рис. 3).
Накопленный опыт использования вибрационной почвообрабатывающей техники доказал её преимущество перед другими способами воздействия на почву.
Однако основная проблема любой вибрационной техники – резонансные режимы
работы, которые могут отрицательно сказываться не только на самом почвообрабатывающем орудии, но и на обслуживающем персонале.
Для этого выведем уравнение движения центра масс почвообрабатывающего
орудия, с помощью которого мы сможем определить амплитуду колебаний, а также экспериментально установить параметры работы вне режима резонанса при
заданных внешних факторах.
Для этого рассмотрим модель почвообрабатывающего орудия, имеющего массу m4, с установленным на нём маятниковым вибровозбудителем массой m3 и дебалансов m1 и m2, имеющих расстояние центра масс дебалансов от оси вращения
r1 и r2 (рис. 4). Дебалансы вращаются с одинаковыми угловыми скоростями ω в
разные стороны за счёт зубчатого зацепления. Угол поворота вибровозбудителя
относительно вертикальной оси равен α, поэтому колебания почвообрабатывающего орудия совершаются одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Скорость центра тяжести орудия Vx и Vy направлены вверх и влево. Скорость движения почвообрабатывающего орудия V и пройденный путь при этой
скорости равен s. Суммарная жёсткость рамы орудия, почвы и шин обозначим cx
и сy. Возмущениями от неровности поля пренебрегаем, так как при воздействии
опорных колёс орудия изменяется профиль поверхности поля. Составим динамическую модель почвообрабатывающего орудия и получим искомое уравнение
движения точки О вне режима резонанса.
x=−
+
2
x
qx 2nx ω2
(k x2 − ω2 ) 2 + 4nx2 ω2
sin k x t +
kx
qx ⋅ (k x2 − ω2 )
2 q x nx ω
cos ωt + 2
sin ωt ;
2
2 2
2 2
( k x − ω ) + 4 nx ω
(k x − ω2 ) 2 + 4nx2 ω2
y=−
+
qx ⋅ (k x2 − ω2 )
cos k x t +
(k − ω2 ) 2 + 4nx2 ω2
(Vx + V ) −
2
y
2 2
2
y
2
( k − ω ) + 4n ω
q y ⋅ (k y2 − ω2 )
2
y
Vy −
q y ⋅ (k x2 − ω2 )
2 2
2
y
2
( k − ω ) + 4n ω
cos k y t +
cos ωt +
(k y2 − ω2 ) 2 + 4n y2 ω2
ky
2q y n y ω
2
y
q y 2n y ω2
(k − ω2 ) 2 + 4n y2 ω2
(3)
sin k y t +
sin ωt ,
где qx, qy – возмущающая сила по направлению осей x и y;
kx, ky – частота собственных колебаний системы относительно осей x и y,
рад/с;
nx, ny – коэффициент демпфирования по направлениям осей x и y, Н·с/(м·кг);
Vx, Vx – скорость центра тяжести O по направлениям осей x и y, м/с.
9
Полученная зависимость может быть использована для любого почвообрабатывающего орудия, независимо от источника вынужденных механических колебаний, который должен иметь свою индивидуальную динамическую модель.
На основании теоретических расчётов частота собственных колебаний культиватора kx = 84,6 рад/с, ky = 101,1 рад/с, а коэффициент демпфирования nx = 53,03
Н·с/(м·кг), ny = 52,92 Н·с/(м·кг).
Известно, что вибрационная машина не должна работать в режиме резонанса,
т.е. при ω = k, ибо при этом амплитуды вынужденных колебаний будут неограниченно возрастать, что приведёт к выходу техники из строя.
Рисунок 4 – Модель почвообрабатывающего орудия с вибровозбудителем
на примере культиватора КПС-4М
10
При увеличении амплитуды колебаний важным показателем является коэффициент нарастания колебаний:
β=
1
  ω
1 −  
 k
2
2
2

2  ω
 + 4 ⋅ λ ⋅  
k

где λ – относительное демпфирование.
λ=
n
.
k
,
(4)
(5)
Коэффициент β зависит не только от отношения частот ω/k, но и от относительного демпфирования λ. Эту связь можно отобразить в виде графика (рис. 5).
Из этих кривых видно, что когда вынужденная частота колебаний ω мала по
сравнению с собственной частотой k, коэффициент нарастания колебаний β незначительно отличается от единицы. Таким образом, при колебании перемещение
x и y почвообрабатывающего орудия совпадает с перемещением, обусловленным
действием возмущающей силы q·cosωt.
Когда частота ω велика по сравнению с частотой k, т.е. когда вынужденная
частота намного меньше, чем собственная частота, величина коэффициента нарастания близка к нулю, независимо от степени демпфирования.
Когда частота ω становится близкой частоте k, т.е. отношение ω/k близко к
единице, коэффициент нарастания β резко увеличивается и его величина при резонансе или в околорезонансной области становится очень чувствительной к изменению коэффициента относительного демпфирования. Теоретическое значение
относительного демпфирования λ по уравнению (5) при ω = k для почвообрабатывающего орудия λх = 0,62, λy = 0,52, а значение коэффициента нарастания колебаний βx = 0,8, βy = 0,96, что говорит об отсутствии режима резонанса за счёт
рассеивания энергии в большей степени в почву.
Амплитуда и характер колебаний
культиватора зависит от отношения
возмущающей силы Fв к его силе тяжести G0. Эта сила развивается соответствующим вибровозбудителем и
периодически изменяется во времени. Если отношение Fв /G0 = χ0 можно назвать критическим, то необходимо придерживаться условия χ ≤ χ0,
чтобы исключить неравномерность
глубины обработки культиватора.
Рисунок 5 – Изменение
коэффициента нарастания колебаний
β в зависимости от отношения
частот ω / k для различных значений
относительного демпфирования λ
11
Расчёт конструктивно-режимных параметров вибровозбудителя основан на
условии минимума веса дебаланса, момента инерции и потребляемой мощности
при высокой возмущающей силе.
Учитывая особенности орудия, исключающие его поломку, ограничимся частотой колебаний f = 25 Гц. Масса культиватора КПС-4М в зависимости от комплектации M0 = 690 – 927 кг.
Учтя тот факт, что наибольшая возмущающая сила Fв = Fв1 + Fв1 будет возникать при наибольшем значении r, то
m⋅R =
M0 ⋅ g
= 0,184 кг·м.
ω2 ⋅ cos ωt
Таким образом, масса каждого дебаланса составит m = 0,184 / R = 2,3 кг.
Учитывая, что дебалансы имеют изменяемые геометрические параметры, за
счёт перемещения груза m, можно записать r0 ≤ r ≤ R (рис. 6). Тем самым мы сможем значительно уменьшить пусковой момент (момент инерции) и снизить мощность, затрачиваемую на «пуск» дебалансов в работу.
Приняв конструктивно геометрические размеры R = 0,08 м, r0 = 0,02 м, получим r = r0 + ri, где ri – расстояние нарастающего радиуса вращении массы дебаланса в зависимости от возмущающей силы.
Приближенную формулу по определению пускового момента для вибровозбудителя можно записать в виде:
Tп = 2m ⋅ g ⋅ r +
2m ⋅ g ⋅ d ⋅ f1
.
2
(6)
На основании полученной зависимости (6) построен график зависимости
(рис. 7) пускового момента дебалансов от начального расстояния центра масс дебалансов до оси вращения и соответствующего пускового момента электродвигателя.
Анализируя график, можно сделать вывод о том, что при установившемся
вращении дебалансов момент на валу имеет во много раз меньшее значение, чем
при пуске. В свою очередь, имея регулируемые параметры в виде расстояния центра масс дебалансов от оси вращения, можно увидеть, как изменяется пусковой
момент в зависимости от r, тем самым обеспечив эффективность работы ведущего
звена во всех режимах работы и
снизить металлоёмкость.
На основании полученных
теоретических расчётов был
сконструирован вибровозбудитель. Вибровозбудитель представляет собой маятниковый вибратор направленного действия,
дебалансы выполнены заодно с
зубчатыми колёсами, за счёт этого обеспечиваются одинаковые
их угловые скорости и создаётся
Рисунок 6 – Схема дебаланса
возмущающая сила. Привод зубс изменяемым расстоянием центра масс
чатых колёс осуществляется от
дебалансов от оси вращения
электродвигателя (рис. 8).
12
Рисунок 7 – График зависимости пускового момента дебалансов от начального
расстояния центра масс дебалансов до оси вращения и соответствующего
пускового момента электродвигателя (при начальном значении r = 0,02 м):
1 – зависимость пускового момента дебалансов от расстояния r; 2 – момент на валу при
установившемся вращении дебалансов
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлена программа экспериментальных исследований, обоснованы и
описаны методики многофакторного эксперимента, определения энергетических
показателей работы культиватора с вибровозбудителем и определения влияния колебаний с.-х. машины на агротехнические требования для основной обработки
почвы.
Полевые экспериментальные исследования проводились на поле п. Ленина
Оренбургского района Оренбургской области (на фонах, типичных для зоны Южного Урала) в 2017 г. с использованием экспериментальной установки (рис. 9),
Рисунок 8 – Маятниковый вибратор
направленного действия:
Рисунок 9 – Общий вид
экспериментальной установки:
1 – муфта; 2 – асинхронный электродвига1 – трактор; 2 – культиватор КПС-4М;
тель; 3 – дебалансы в сборе; 4 – упорный 3 – маятниковый вибратор направленного
рычаг; 5 – рама; 6 – подшипниковый узел
действия
13
состоящей из культиватора (2) с установленным на нем вибровозбудителем (3).
Почвообрабатывающее орудие агрегатировалось с трактором МТЗ-80 (1).
Твёрдость почвы – 1,0 – 1,3 МПа и плотность почвы – 1200 – 1320 кг / м3 определили по общепринятым методикам, влажность – 18 – 20 %.
В качестве первого параметра оптимизации многофакторного эксперимента
было принято тяговое сопротивление культиватора R, кН (Y1), второго – амплитуда колебания А, м (Y2), характеризующая соблюдение агротехнических требований и условий работы.
Основываясь на теоретических положениях, выведенных во второй главе данной работы, а также на исследованиях ряда ученых, в качестве варьируемых факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на параметры оптимизации,
были приняты следующие параметры работы:
1) скорость движения агрегата V, м/с (X1);
2) частота вращения дебалансов n, об/мин (X2);
3) угол наклона корпуса маятникового вибратора к раме машины α, град (Х3).
В таблице 1 представлены уровни изменения факторов в эксперименте.
Таблица 1 − Факторы многофакторного эксперимента
и уровни их варьирования
Интервал варьирования и
уровни факторов
Нулевой уровень, хi = 0
Интервал варьирования, Δ хi
Нижний уровень, хi = –1
Верхний уровень, хi = +1
Кодирование фактора
Управляемые факторы
Частота
Угол поворота
Скорость МТА вращения
вибровозбудителя в
V, м/с
дебалансов продольно-вертикальной
n, об/мин
плоскости α, град
2,0
810
60
1,0
405
30
1
500
0
3,0
1310
60
X1
X2
X3
С целью оценки энергетических показателей работы экспериментального
культиватора с вибровозбудителем и сравнения с серийным орудием была проведена серия опытов по определению тягового сопротивления и амплитуды колебания почвообрабатывающего орудия, которая не должна превышать допускаемых
значений отклонений средней глубины обработки почвы от заданной ±1 см.
В качестве регистрирующей аппаратуры при определении тягового сопротивления культиватора применялась измерительная информационная система
ИП 264, предназначенная для регистрации параметров при испытании сельскохозяйственной техники в полевых условиях, и частотный преобразователь
TOSHIBA АС1 для изменения частоты вращения электродвигателя.
Система ИП 264 состоит из электронного блока 1 (рис. 10), выполненного в
едином корпусе, на передней панели которого находятся индикатор включения
питания, выключатель питания и разъем RS��������������������������������
����������������������������������
232 для связи с управляющим компьютером (ноутбуком) 3. Сверху находятся разъемы для подключения распре14
Рисунок 10 – Измерительная система, установленная в кабине трактора МТЗ-80:
1 – измерительная информационная система ИП 264; 2 – частотный преобразователь
TOSHIBA АС1; 3 – notebook; 4 – распределительный короб
делительного короба 4 (РК-1) и питания 9 − 15 В. Для подключения датчиков к
ИП 264 применяется распределительный короб РК-1, в котором каждый измерительный канал выводится на отдельный разъем.
Частотный преобразователь TOSHIBA АС1 имеет питание 220 В и соединён
с электродвигателем, частоту вращения вала дебалансов регистрировали контактным тахометром.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты многофакторного эксперимента по выявлению закономерностей изменения энергетических и агротехнических показателей работы предлагаемого культиватора в зависимости от условий работы, а также по сравнению
энергетических и агротехнических показателей работы серийного и экспериментального орудий. Сделан анализ сходимости экспериментальных и теоретических
результатов.
Многофакторный эксперимент, выполненный в соответствии с разработанным планом, выявил зависимость параметров оптимизации (тягового сопротивления культиватора с вибровозбудителем Y1 и амплитуды колебания Y2) от трёх
факторов: скорости движения агрегата X1, частоты вращения дебалансов X2, угла
наклона маятникового вибратора в продольно-вертикальной плоскости X3. По результатам регрессионного анализа в программе Statistica����������������������
��������������������������������
10 были получены следующие уравнения регрессии для параметров оптимизации в кодированном виде:
Y1 = 3,384227 + 3, 056168 X 1 + 0, 004502 X 2 −
− 0, 048733 X 3 + 0,585926 X 12 + 0, 000810 X 32 ;
Y2 = 1,15649 − 1,30069 X 1 + 0, 00485 X 2 − 0, 01056 X 3 + 0, 24815 X 12 ,
(13)
(14)
Полученные уравнения регрессии позволяют построить поверхности отклика
параметров оптимизации от факторов (рис. 11, 12, 13, 14).
15
Рисунок 11 – Поверхность отклика
параметра оптимизации Y1 (R, кН)
от факторов X1 (скорость движения
агрегата V, м/с) и X2 (частота вращения
дебалансов n, об/мин)
Рисунок 12 – Поверхность отклика
параметра оптимизации Y1 (R, кН)
от факторов X3 (угол наклона
маятникового вибратора в продольновертикальной плоскости α, град) и X1
(скорость движения агрегата V, м/с)
Рисунок 13 – Поверхность отклика
параметра оптимизации Y2 (А, м)
от факторов X1 (скорость движения
агрегата V, м/с) и X2 (частота вращения
дебалансов n, об/мин)
Рисунок 14 – Поверхность отклика
параметра оптимизации Y2 (А, м)
от факторов X1 (скорость движения
агрегата V, м/с) и X2 (частота
вращения дебалансов n, об/мин)
16
По результатам эксперимента и обработки данных были построены графики
зависимости тягового сопротивления от частоты вращения дебалансов и угла наклона корпуса маятникового вибратора направленного действия. Полученные графики были сравнены с аналогичными, полученными в результате теоретических
исследований.
После корректировки коэффициентов, используемых в теоретических расчетах тягового сопротивления, были получены следующие графики зависимости
тягового сопротивления (R, кН) и амплитуды колебания (A, 10 – 3 м) от скорости
движения агрегата (рис. 15).
Анализ графиков показывает, что данные, полученные в результате теоретических исследований, соответствуют данным, полученным в результате эксперимента.
В результате экспериментальных исследований показателей работы модернизированного культиватора, проводившихся в 2017 г. на поле п. Ленина Оренбургского района при культивации почвы (пары), выявлено снижение тягового сопротивления на 18,2 % и часового расхода топлива на 16,7 %, амплитуда колебаний
модернизированного почвообрабатывающего орудия входила в допустимые значения агротехнических требований ±1 см.
Рисунок 15 − Зависимость тягового
сопротивления (R, кН) от скорости
движения агрегата (V, м/с) при угле
наклона маятникового вибратора в
продольно-вертикальной плоскости
α = 30°, частоте вращения дебалансов
n = 1310 об/мин
Рисунок 16 – Зависимость амплитуды
вертикальных колебаний рамы
культиватора (A, 10 – 3 м) от скорости
движения агрегата (V, м/с) при угле
наклона маятникового вибратора в
продольно-вертикальной плоскости
α = 30°, частоте вращения дебалансов
n = 1310 об/мин
17
В пятой главе «Экономическая оценка применения культиватора с механическим вибровозбудителем» представлены результаты расчета экономической
эффективности от применения комбинированного почвообрабатывающего орудия
с вибровозбудителем при основной обработке почвы.
Расчеты показали снижение удельного расхода топлива на 20,3%. Годовой
экономический эффект составил 17 руб./га, срок окупаемости дополнительных
капитальных вложений более одного года, при средней годовой загрузке агрегата
350 часов.
Все расчеты проводились по ценам 2018 г.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. В результате проведенного анализа было установлено, что для более эффективной обработки почвы культиватором, в условиях сухостепной зоны Южного
Урала, необходима его модернизация путем установки дополнительных приспособлений, обеспечивающих вибрацию рабочих органов, что позволяет снизить их
залипание и тяговое сопротивление.
2. Теоретическими исследованиями установлена математическая зависи- мость
тягового сопротивления культиваторной лапы в зависимости от направления действия вынужденных колебаний. Получено уравнение траектории движения центра
тяжести орудия КПС-4М под действием вынужденных направленных колебаний.
3. На основании полученных результатов теоретических исследований
конструктивно-режимных параметров вибровозбудителя, разработана конструкция маятникового вибратора направленного действия для почвообрабатывающего
орудия предпосевной обработки почвы.
4. При использовании вибрационного культиватора КПС-4М на рабочей скорости 3,0 – 3,2 м/с с массой дебалансов 2,3 кг каждый, по сравнению с режимом
работы без вибрации на той же скорости, достигается снижение гребнистости поверхности почвы на 16 %, плотности почвы – на 13,6 %, глыбистости почвы – на
12 %, подрезание сорняков за счёт меньшего залипания поч­вы на рабочие органы
увеличилось на 3 %. Амплитуда колебания орудия не превышает допускаемых
значений по агротребованиям для вертикальных колебаний.
5. Использование вибрационного культиватора КПС-4М на рабочей скорости
3,0 – 3,2 м/с с дебалансами массой 2,3 кг каждый позволяет снизить тяговое сопротивление орудия на 18,2 %, удельный расход топлива на 20,4 %. Установлено, что
снижение тягового сопротивления орудия приводит к снижению буксования колёс
трактора, за счёт чего производительность за час основного времени возрастает с
4,45 га/ч до 4,65 га/ч, или на 4,3 %.
6. Использование вибровозбудителя с изменяемыми геометрическими параметрами позволяет снизить пусковой момент его электродвигателя на 74 % и
уменьшить мощность, затрачиваемую на вращение дебалансов, на 78 %.
7. Использование экспериментального культиватора КПС-4М в производственных условиях позволило сократить прямые эксплуатационные затраты на
единицу работы на 11,4 %, годовой экономический эффект составляет 17 руб./га
при годовой загрузке 350 часов, срок окупаемости дополнительных капитальных
вложений составит 1,2 года.
18
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
Разработанный культиватор с вибровозбудителем может быть использован
при предпосевной обработке почвы для замены широко применяемых серийных
культиваторов КПС-4М и аналогичных моделей.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ
Изучить возможность применения вибровозбудителя колебаний на почво­
обрабатывающих орудиях с чизельными рабочими органами.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Константинов, М.М. Вибрационное взаимодействие рабочего органа с поч­
вой [Текст] / М.М. Константинов, С.Н. Дроздов, И.В. Трофимов // Научное обозрение. – 2017. – № 20. – С. 58 – 64.
2. Дроздов, С.Н. Обоснование конструктивно-режимных параметров вибровозбудителя в виде секторного дебаланса [Текст] / С.Н. Дроздов, А.А. Сорокин,
А.А. Петров, А.Е. Коваленко, И.В. Трофимов, И.Д. Найманов // Известия ОГАУ. –
2016. – № 2. – С. 58 – 60.
3. Константинов, М.М. Энергетическая и агротехническая оценка работы
плугов с ромбовидными и серийными рабочими органами [Текст] / М.М. Константинов Б. Н. Нуралин, С. В. Олейников, А.Ж. Мурзагалиев, И.В. Трофимов //
Известия ОГАУ. – 2016. – № 3. – С. 81 – 84.
4. Нуралин, Б.Н. Техническое обеспечение гладкой вспашки отвальными
рабочими органами [Текст] / Б.Н. Нуралин, С.В. Олейников, А.Ж. Мурзагалиев,
М.М. Константинов, И.В. Трофимов // Известия ОГАУ. – 2015. – № 6. – С. 72 – 76.
Публикации в других изданиях
5. Константинов, М.М. Технологические настройки и регулировки машин для
подготовки почвы и посева сельскохозяйственных культур [Текст] / М.М. Константинов, А.П. Козловцев, И.В. Герасименко, К.С. Потешкин, И.Х. Галлиев,
А.А. Буканов, И.В. Трофимов, И.Д. Найманов. – Оренбург: Издательский центр
ОГАУ, 2015. – 56 с.
6. Рекомендации по уборке урожая и подготовке почвы в Оренбургской области на 2015 год [Электронный ресурс] / М.М. Константинов, А.П. Козловцев,
И.В. Герасименко, С.С. Пашинин, К.С. Потешкин, И.Х. Галлиев, А.А. Буканов,
И.В. Трофимов // Министерство сельского хозяйства, пищевой и перерабатывающей промышленности Оренбургской области: [сайт]. Режим доступа: http://mcx.
orb.ru›deytelnost/rastenievodstvo/ Дата обращения 30.07.2015.
7. Константинов М.М. Анализ направлений совершенствования рабочих органов почвообрабатывающих орудий [Текст] / М.М. Константинов, С.Н. Дроздов,
А.А. Буканов, И.В. Трофимов // Инженерному образованию – научную основу:
материалы национальной российской научно-технической конференции. – Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2016. – С. 11 – 16.
Трофимов Иван Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО КУЛЬТИВАТОРА
ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства
механизации сельского хозяйства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 28.08.2018.
Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,0. Печать трафаретная.
Бумага офсетная. Заказ № 9051. Тираж 100 экз.
Отпечатано в Издательском центре ОГАУ.
460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18.
Тел. (3532) 77-61-43
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа