close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА РЫХЛИТЕЛЯ ПОЧВЫ РОТАЦИОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Вафин Нияз Фоатович Шифр научной специальности: 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства Шифр диссертационного совета: Д 220.070.01 Название организации: Чувашская государственная сельскохозяйственная академия
1
На правах рукописи
ВАФИН НИЯЗ ФОАТОВИЧ
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
РАБОЧЕГО ОРГАНА РЫХЛИТЕЛЯ ПОЧВЫ
РОТАЦИОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чебоксары - 2012
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный
университет» на кафедре эксплуатации машин и оборудования
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
Матяшин Александр Владимирович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Медведев Владимир Иванович
«Чувашская государственная
сельскохозяйственная академия»
доктор технических наук, профессор
Курбанов Рустам Файзулхакович
«Вятская государственная
сельскохозяйственная академия»
Ведущая организация – ГНУ Северо-западный научно-исследовательский
институт механизации и электрификации сельского
хозяйства россельхозакадемии (СЗНИИМЭСХ)
Защита состоится 16 марта 2012 года в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г.
Чебоксары, ул.Карла Маркса, д.29, ауд.222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».
Автореферат разослан __ февраля 2012 года
Ученый секретарь
диссертационного совета
Алатырев С.С.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одной из основных особенностей земледелия во
многих регионах страны, в том числе и в Республике Татарстан является необходимость защиты почвы от водной эрозии.
Анализ известных машин и технологий для защиты почв от водной эрозии
позволил выявить ряд существенных недостатков. Существующие технические
средства не обеспечивают формирование достаточно полного комплекса почвозащитных агротехнических мероприятий для возделывания сельскохозяйственных культур на склонах в условиях водной эрозии почв. Также использование известных почвозащитных приемов на склонах весьма ограничено вследствие малой
глубины пахотного горизонта дерново-подзолистых и серых лесных почв, склонности их к заплыванию, образованию плужной подошвы и других факторов.
Установлено, что на склоновых почвах почвообрабатывающие агрегаты работают
не устойчиво, приводя иногда к травматизму.
Поэтому необходима разработка новых почвозащитных технологических
операций и технических средств при возделывании сельскохозяйственных культур на склонах в условиях эрозии почв с учетом зональных особенностей и обеспечивающих безопасность работы.
Настоящая работа посвящена разработке и обоснованию параметров и режимов работы рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного
действия.
Цель работы - повышение эффективности процесса безотвальной обработки почвы путем разработки рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия и обоснование параметров и режимов работы, его теоретическое и экспериментальное исследования, создание и испытание конструкции.
Объекты исследования. Технологические процессы безотвальной обработки почвы, рабочий орган рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия.
Предмет исследования. Закономерности изменения качественных показателей работы и энергопотребления рабочим органом рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия от их конструктивных и режимных параметров.
Методика исследований. При выполнении теоретических и экспериментальных исследований использовали разработанные специальные методики с
применением общей теории ротационных почвообрабатывающих машин, элементов высшей математики, теоретической механики, теории механизмов и машин
для определения основных конструктивных параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия:
- кинематические характеристики работы рабочего органа рыхлителя почвы
ротационно-колебательного действия проводились графоаналитическими способами с использованием траектографа ТГМ-1;
- для определения параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия был разработан алгоритм расчета;
- для определения режимов работы и уточнения параметров была изготовлена экспериментальная установка;
4
- энергетическая оценка исследуемых рабочих органов проводилась в лабораторных и полевых условиях;
- применена новая методика энергетической эффективности технологического процесса безотвальной обработки почвы.
Научная новизна:
- разработан рабочий орган рыхлителя почвы ротационно-колебательного
действия;
- получены аналитические зависимости, которые позволили обосновать основные конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа рыхлителя
почвы ротационно-колебательного действия;
- разработан алгоритм расчета параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия;
- выявлен характер работы созданного рабочего органа рыхлителя почвы
ротационно-колебательного действия в зависимости от скорости движения, его
заглубления и подачи;
- новизна технических решений подтверждена патентами РФ на полезную
модель № 80649 и №112582.
Практическая значимость. На основе проведенных исследований создан
рабочий орган рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия для безотвальной обработки почвы. Результаты работы могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями, научно-исследовательскими и учебными
учреждениями при создании и проектировании новых конструкций почвообрабатывающих машин для безотвальной обработки почвы, в частности, разработанный алгоритм расчета параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия и аналитические зависимости.
Реализация результатов исследований. Работа выполнена согласно плану
научно-исследовательских работ Казанского ГАУ (гос.рег. №01201153966) и Всероссийской научно-технической программой: «Разработка системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства
как основы стабилизации АПК субъектов РФ на 2005 - 2010 гг.». По результатам
исследований разработан, изготовлен и испытан в лабораторно-полевых и производственных условиях опытный образец секции рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия. Отдельные результаты исследований
используются в учебном процессе и дипломном проектировании студентами института механизации и технического сервиса Казанского ГАУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Казанского ГАУ в 2005…2010 г.г. Опытный образец секции рабочего органа
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия демонстрировался на выставках: «АГРОКОМПЛЕКС: Интерагро. Анимед. Фермер Поволжья», которые
проводились в г. Казань на выставочном центре ОАО «Казанская ярмарка».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в их
числе 4 – в центральных изданиях, рекомендуемых ВАК, патенты РФ на полезную модель № 80649 и №112582.
5
На защиту выносятся следующие положения:
- конструктивно-технологическая схема рыхлителя почвы с рабочими органами ротационно-колебательного действия;
- зависимости для определения траекторий движения, скоростей и ускорений характерных точек рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия;
- алгоритм расчета параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия;
- обоснование формы исполнительного рабочего органа рыхлителя почвы
ротационно-колебательного действия;
- анализ сил, приложенных к основным звеньям рабочего органа рыхлителя
почвы ротационно-колебательного действия;
- зависимости расхода энергии на обработку почвы от скорости движения,
подачи и глубины обработки;
- результаты сравнительной оценки агротехнических, энергетических и технико-экономических показателей работы экспериментальной и базовой установок
в полевых условиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и
приложения. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит
18 таблицы, 37 рисунков, 27 приложений.
Список использованной литературы включает 120 наименований, из них 7
на иностранном языке.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлены: актуальность работы, цель, объект, предмет и
методика исследований; научная новизна, практическая ценность и апробация работы; реализация и внедрение результатов исследований; изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Состояние и перспективы развития механизации безотвальной обработки почвы» приведен анализ конструкций машин и результатов
исследований в этой области, определены цель и задачи исследований.
В результате анализа установлено, что необходима безотвальная обработка
почвы склоновых земель, которая в настоящее время выполняется кротованием,
щелеванием и безотвальной обработкой (плоскорезная, чизелевание) в направлении поперек склона. По данным различных авторов щелевание многолетних трав
и пастбищ уменьшает сток запасов влаги со склонов от 8…10 мм до 20…22 мм.
Нарезка щелей снижает смыв почвы в 4 раза, повышая запас влаги на 25,8 мм.
В настоящее время по существу почти вся техника не в полной мере отвечает агротребованиям по выполнению операций на склонах.
Общим свойством всех способов обработки эрозионно-опасных почв является то, что механическое воздействие осуществляется в основном горизонтально
установленными рабочими органами в направлении параллельном поверхности
почвы, что увеличивает водную эрозию.
Значительный вклад в исследования безотвальной обработки почвы внесли
А.П. Акимов, А.И. Бараев, М.Н. Заславский, А.Н. Каштанов, А.Д. Кормщиков,
6
А.Д. Краснощеков, Т.С. Мальцев, И.И. Максимов, П.И. Макаров, Ю.И. Матяшин,
С.Н. Мардарьев, В.И. Медведев, И.Б. Ревут, Ф.Х. Шакиров и др. Вопросами применения рычажно-шарнирных механизмов для привода исполнительных рабочих
органов сельскохозяйственных машин занимались С.С. Алатырев, Ш.Р. Галиуллин, В.И. Медведев, А.В. Матяшин и др.
Этими исследованиями охватываются многие вопросы безотвальной обработки почвы. Вместе с тем, отсутствуют способы и средства механизации для обработки склоновых почв рабочими органами, которые воздействуют в перпендикулярном направлении к поверхности почвы.
Исходя, из анализа конструкций и результатов исследований и в соответствии с поставленной целью предусматривалось решение следующих задач:
- теоретически исследовать кинематические параметры рабочего органа
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия для безотвальной обработки почвы;
- обосновать технологические характеристики и конструктивные параметры
рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия;
- разработать алгоритм расчета параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия;
- определить расход энергии на обработку почвы в зависимости от скорости
движения, подачи и глубины обработки;
- провести сравнительную оценку агротехнических, энергетических и технико-экономических показателей работы экспериментальной и базовой установок
в полевых условиях.
Во втором разделе «Теоретические исследования по обоснованию технологических и конструктивных параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия» приведены результаты по обоснованию технологических и конструктивных параметров.
Рыхлитель почвы с рабочими органами ротационно-колебательного действия включает ведущее звено – кривошип АВ, шатун ВС, коромысло ДС и исполнительный рабочий орган СЕ, т.е. основу его составляет рабочий орган ротационно-колебательного действия (рисунок 1). При работе (т. В) кривошипа АВ за
один оборот совершает сложное движение по удлиненной циклоиде (трохоиде) –
траектория I (т. 1, 2, 3, 4, 5). Коромысло (т. С) движется по траектории II (т. 1´, 2´,
3´, 4´, 5´) и рабочий орган рыхлителя (т. Е) – по траектории III (1´´, 2´´, 3´´, 4´´,
5´´). Координаты т. В (хк, ук) рассчитывают по уравнению:
х к rк ( / sin ) и yк rк (1 cos) ,
(1)
где rk, α – радиус и угол поворота кривошипа, Vo / Vn - отношение окружной
скорости (Vo) к поступательной (Vп). На основе расчетов по уравнению (1) построены траектории движения кривошипа (т. В).
Траектории движения коромысла (т. С) и конца рабочего органа (т. Е) определяем графически. Для построения траектории движения коромысла (т. С) делят
подачу (S) на 4…8 равных частей на линии движения (т. Д) совпадающем с
направлением движения трактора. Из соответствующих точек 1, 2, 3, 4, 5 радиу-
7
сом коромысла ДС проводим дуги до соответствующих пересечений с длиной
шатуна ВС и получаем траекторию движения коромысла (т. С).
Траекторию конца рабочего
органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия (т.
Е) получаем путем откладывания
на соответствущих линиях 1-1´, 22´, 3-3´, 4-4´, 5-5´ длину рабочего
органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия СЕ
и получаем точки траектории 1´´,
2´´, 3´´, 4´´, 5´´. Для получения
траекторий движения за второй
оборот откладываем подачу на
один рабочий орган (S) и проводим траектории I´, II´, III´.
Участки траекторий 1, 2, 3;
1´, 2´, 3´; 1´´, 2´´, 3´´ соответствуют заглублению рабочего органа
рыхлителя почвы ротационноколебательного действия в почву,
а 3, 4, 5; 3´, 4´, 5´; 3´´, 4´´, 5´´ – выглублению его из почвы. Сплошными линиями указаны траектории за первый оборот кривошипа,
а штриховыми за второй оборот
кривошипа. Уравнения (1) позволили также решить ряд задач, связанных с обоснованием параметров рабочего органа рыхлителя
почвы ротационно-колебательноРисунок 1 – Схема траектории
го действия и в частности опредедвижения характерных точек рабочего
лить скорость и ускорение обуоргана рыхлителя почвы
славливающих процесс безотротационно-колебательного действия
вальной обработки почвы.
Абсолютная скорость (Vа) кривошипа равна геометрической сумме окружной Vо и поступательной (Vп) и найдена через производные уравнения (1):
Va Vx2 Vу2
(2)
где Vx dx / dt rкк (1 / cosк t ), Vу dу / dt rкк sin к t.
Подставим эти производные в уравнение (1) получим:
Va / Vо 1 1 / 2 (2 / ) cos
.
(3)
При проведении кинематического анализа были определены основные параметры рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия.
8
Радиус кривошипа принимаем равным половине максимальной глубины обработки hmax, т.е. rк = hmax/2.
Размеры других звеньев рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия длину шатуна ℓш, и коромысла ℓкор выбраны из условия
существования кривошипа, т.е. сумма длин наибольшего и наименьшего звеньев
должна быть меньше или равна сумме двух других звеньев. Тогда условием полной проворачиваемости звеньев будут служить неравенства:
АВ<СД<ВС; ВС+СД ≥АД≥ СД+АВ.
(4)
Из этого условия выбирают геометрические параметры звеньев:
rк = 0,15 м, ℓш,= 4·rк = 0,6 м, ℓкор = 2 rк = 0,3м, ℓАД = 0,7 м.
Подставив эти значения параметров звеньев в неравенства (4), получаем
0,75м>АД>0,45 м, т.е. звено АД может иметь длину от 0,75 м до 0,45 м.
При таких соотношениях звеньев рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия соблюдается условие существования кривошипа,
обеспечивается минимальный путь рабочего органа в почве, а следовательно и
наименьшие энергозатраты при обработке почвы.
Определены скорости и ускорения точек В, С, Е, а также угловые скорости
и ускорения шатуна коромысла и рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия. Скорость коромысла (т. С) равна геометрической сумме
скоростей VB и VС / В :
VС VB VВ/С .
(5)
Силовой анализ работы одной секции рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия позволил определить силы, моменты в основных звеньях рабочего органа (рисунок 2). При работе на секцию рабочего органа
рыхлителя почвы действуют следующие силы: Ро – окружное усилие на валу кривошипа, Rо – равнодействующая сил RУ и RХ; RУВ, RУС, RУЕ – вертикальные составляющие; соответственно в т. В кривошипа RУВ, т. С – коромысла RУС и реакции почвы в точке контакта рабочего органа т. Е RУЕ; RХВ, RХС, RХЕ – горизонтальные составляющие в указанных точках.
Указанные силы изменяются по величине и направлению. Угол наклона
равнодействующей определяют по известным RУ и RХ и она зависит от скоростного режима работы, глубины обработки и состояния почвы.
Кривошип вращается под воздействием ведущего момента МВ = Ро·rк. Момент сопротивления вращению кривошипа М1 = RУСНУС = RУЕНУЕ = R´УС ·ℓкор.
Мощность, подводимая к кривошипу NВ=МВωк, складывается из мощности сопротивления вращению М1ωк
и мощности, передаваемой остову машины
N2=RХСНХСωс (здесь ωк ωс – угловая скорость кривошипа и коромысла соответственно).
Баланс мощности:
NВК =NС+Nб, где Nс = Rусvс.
(6)
При равномерном движении (vn =const) момент инерции:
Nб = Мбωк = m´rк2ωк/2
(7)
где m´ – масса кривошипа.
9
При неравномерном движении:
Мвωк = (М1 + М2 + Мб ± Мj) ω.
(8)
Толкающая сила при равномерном движении:
RХЕ = (Мв - М1 - Мб)/НХЕ.
(9)
Рассмотрены также силы, действующие на рабочий орган. В качестве кривошипов использованы коленчатый вал шейки которого соединены с
шатунами. Исполнительные рабочие
органы рыхлителя (вильчатые) укреплены на шатунах жестко. Привод на
коленчатый вал осуществляется от вала отбора мощности (ВОМ) трактора
через конический редуктор с двумя
выходами на каждую половину ширины захвата. Поэтому, число рабочих
органов рыхлителя почвы ротационноколебательного действия (m) устанавливают четным от 4 до 10. Причем
каждый соседний кривошип имеет угловое смещение αу = (360° : m)·2.
Например, при m = 6 αу = 120°, m = 8,
α = 90º. В этом случае порядок входа
рабочего органа рыхлителя в почву
попарно на левом и правом коленвалах
по углу поворота будет такой: 1 - 6, 2 5, 3 - 4; 1 - 8, 2 - 7, 3 - 6, 4 - 5. Это делается для более равномерного (безударного) вхождения рабочих органов рыхлителя в почву и избежания так называемых «мертвых зон». Сумма моментов относительно продольной оси агРисунок 2 – Схема сил, действующих
регата попарно работающих рабочих
в рабочем органе рыхлителя почвы
органов рыхлителя левого и правого
ротационно-колебательного действия
коленвалов будут равны , т.е. ΣМл =
ΣМп.
Ведущий момент на коленвалу:
М´в =Роrкm1
(10)
где m1 – число рабочих органов
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия одновременно входящих в
почву).
Момент сопротивления вращению коленвала:
М1´ = RУЕНУЕm = RУСНУСm1 = R´УСℓкорm1.
(11)
Мощность подводимая к коленвалу при равномерном движении агрегата:
N´в = N´1 + N´2; М´вωк в=М´1ωс + М´2ωс,
(12)
10
где М´2 = RХСНСm1, (ωкв – угловая скорость коленвала).
Баланс мощности:
а) при равномерном движении vn =const:
N´в = N´1+N´б,
2 2
где N´б = Мбωк = m´rк ω кв/2.
б) при неравномерном движении:
М´вωкв = (М´1 +М´2+М´б ±Мj ) ωкв,
где Мj – приведенный к коленвалу инерционный момент.
Толкающая агрегат сила при v = const:
R´хе = (М´в-М´1-М´б)/Нхе.
Мощность на ВОМ трактора:
Nвом = 6,28 Мвом nвом ·10-3,
где Мвом – крутящий момент на ВОМ, Н·м;
nвом – частота вращения ВОМ, с-1;
Мвом=М´в/iкрηкр,
где iкр = nвом/nкв – передаточное отношение конического редуктора,
nкв – частота вращения коленвала, с-1;
ηкр – КПД конического редуктора.
Тяговая мощность трактора:
Nт = RХСvС = RХЕvЕ
где Nт – тяговая мощность.
Коэффициент полезного действия:
η
N ВОМ N Т
,
Nе
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
где Nе – эффективная мощность двигателя трактора, кВт.
Результаты теоретических исследований позволили разработать методику,
алгоритм расчета основных параметров рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия. Расчетом получены 42 параметра рабочего органа рыхлителя для заданных условий, которые затем проверялись экспериментально.
В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлены программа и методика экспериментальных исследований.
Программой исследований предусмотрено получение в лабораторных условиях
необходимых данных для выбора параметров рабочего органа рыхлителя почвы
ротационно-колебательного действия, обоснование его формы. Для кинематического анализа использовали траектограф ТГМ-1.
В полевых условиях определены крутящий момент, тяговое сопротивление
и расход мощности на привод одной секции рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия на разных режимах работы и различных агрофонах, а также при обработке плоскорезной лапой.
Проведено агротехническая и энергетическая оценка секции с рабочим органом рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия в сравнении с
плоскорезной лапой, принятой в качестве базового варианта. Полевые исследова-
11
ния проводились в учебно-опытном хозяйстве Казанского ГАУ. Условия работы и
агротехнические показатели оценивали в соответствии с ГОСТ 70.4.2-80.
При определении энергетических показателей проводили тензометрирование и динамометрирование. В ходе экспериментов определяли следующие показатели: крутящий момент на ВОМ М ВОМ , частоту вращения ВОМ n ВОМ , тяговое сопротивление, скорость движения агрегата и время.
Предельная относительная ошибка энергетических показателей составила
3…8 %. Экспериментальные данные обрабатывали по общепринятой методике.
Для выполнения полевых опытов была изготовлена экспериментальная установка
секции рабочего органа рыхлителя почвы (рисунок 3).
а
б
Рисунок 3 – Экспериментальная установка секции рабочего органа рыхлителя почвы:
а-общий вид; б-схема секции рабочего органа рыхлителя почвы:
1 - рама; 2 - редуктор конический; 3 - кривошип; 4 - шатун; 5 - коромысло;
6 - рабочий орган рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия;
7 - колесо (для регулировки глубины обработки)
В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их
анализ» приведены результаты исследований, проведенных в лабораторных и полевых условиях.
В лабораторно-полевых условиях изучали зависимость усилия вхождения в
почву Р рабочих органов разной формы (4 вида по форме профиля зуба, т.е. квадратного, клиновидного, ножевидного и цилиндрического сечений).
Установлено, что наиболее энергоемким оказался зуб квадратного сечения
15 х 15 мм, для которого среднее усилие составило Рср = 240…270 Н на трех агрофонах, а максимальные Рmax = 500…600 Н. Наименее энергоемким оказался зуб
цилиндрической формы Ø 20 мм для которого Рср = 190…200 Н, а Рmax = 310…445
Н, что на 30…35 % меньше, чем у квадратного.
Сравнивая характер изменения сил, действующих в рабочем органе рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия с экспериментальными данными, нетрудно убедиться в их идентичности.
Об эффективности сравниваемых зубьев можно судить по удельным
нагрузкам, т.е. отношениям усилия входа зуба в почву (Р) к объему углубления,
образуемого этим зубом (V). Для цилиндрического зуба этот показатель составил
3,6·10-3 Н/мм3, а для квадратного – 5,5· 10-3 Н/мм3, что на 30…35 % меньше. Таким
12
образом, по результатам опыта по обоснованию формы рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия был выбран цилиндрический зуб
диаметром 20 мм и длиной 0,3 м.
Для обоснования количества зубьев в одной секции в полевых условиях исследовался рабочий орган с цилиндрическими зубьями, который состоял из трех,
четырех и пяти зубьев с регулируемым расстоянием между ними.
Ширина захвата одной секции была принята равной 0,3 м. Хотя ширина захвата одинаковая, усилие входа зубьев оказалось различным. Наиболее энергоемкой оказалась пятизубовая секция, для которой Рmax = 1100…1800 Н в зависимости
от подачи S = 0,1…0,3 м. Трехзубовая секция оказалась менее энергоемкой
(Рmax=800…1500 Н). Таким образом увеличение усилия входа в почву непропорционально количеству зубьев в секции. С уменьшением количества зубьев в секции или с увеличением расстояния между зубьями удельное значение усилия возрастает в среднем на 25%.
Агротехническая оценка рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия на безотвальной обработке почвы проводилась по следующим показателям: плотность и влажность почвы (в динамике), сохранение
стерни, крошение почвы, глубина обработки, водопроницаемость, общий запас
воды в почве.
Установлено, что в течение лета влажность почвы была наибольшей на участках,
обработанных экспериментальным рабочим
органом рыхлителя почвы ротационноколебательного действия. Это сказалось, в
конечном счете, на запасах воды в почве, который составил в среднем 900 м3/га. На
участке многолетних трав, обработанных
плоскорезом запас воды составил 750 м3/га, а
на контроле (необработанный участок) 600
м3/га. Таким образом, безотвальная обработка разработанным рабочим органом рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия увеличил запас воды на 41…50%.
Объясняется это различием водного режима
Рисунок 4 – Зависимости крутящего почвы при использовании разных способов
момента кривошипа Мк и удельного обработки. Кроме того рабочий орган рыхзначения Мк.уд. от подачи S на один
лителя обеспечивает от 200 до 900 тысяч
рабочий орган рыхлителя почвы роуглублений на одном гектаре, с общим обътационно-колебательного действия:
емом 20…50 м3/га.
1, 2, 3, 4 – Мк = f(S) соответственно при
Однако темп увеличение Мк отстает от
заглублении рабочего органа (h):
/ / / /
темпа увеличения подачи (рисунок 4). При
0,1; 0,15; 0,2; 0,25 м; 1 , 2 ,3 ,4 –
Мк.уд. = f(S) при тех же значениях h
этом удельные затраты Мк.уд с возрастанием
подачи уменьшаются на 20…37 %. Такое
13
снижение вызвано тем, что с увеличениием подачи уменьшается число углублений в единице объема обрабатываемой почвы, т.е. количество углублений на одном погонном метре.
В полевых условиях изучалась зависимость крутящего момента на кривошипе (Мк) и удельного его значения (Мк.уд) от подачи (S) на один рабочий орган
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия. Изменения подачи на
один рабочий орган рыхлителя достигалось изменением скорости агрегата. Частота вращения коленвала была постоянной (nкв=5с-1). Результаты опыта показали,
что крутящий момент Мк возрастает с увеличением подачи на один рабочий орган
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия или поступательной скорости, а удельные значения убывают.
Влияние заглубления рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия на затраты энергии, проводилось на разных агрофонах:
дернине луговой, суглинке, многолетних травах. Из результатов опытов следует,
что окружное усилие, крутящий момент на кривошипе с поворотом его от 0° до
180°, т.е. при заглублении рабочего органа рыхлителя в почву усилия возрастают,
достигая максимума, а затем убывают при αк = 150°…180° до минимальной величины при αк = 180° (h = 300 мм). При повороте кривошипа на угол αк =
180°…360°, т.е. при выглублении рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия из почвы (h = 300…0 мм) крутящий момент Мк резко
возрастает при αк = 200°( h = 280 мм), а затем резко снижается и при αк = 270° равен нулю (рисунок 5). Такое возрастание крутящего момента при αк = 200° объясняется процессом отрыва пласта от монолита который соответствует пределу временного сопротивления почвы.
Этому режиму соответствует и изменение угла входа рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия а также характер траектории рабочего
органа в диапазоне αк = 180°…240° (при
этом рабочий орган рыхлителя сдвигает
пласт назад отрывая его от монолита).
В этом диапазоне изменения угла поворота кривошипа увеличивается и его скорость. Характер изменения зависимости
окружного усилия Рк на кривошипе от угла
поворота кривошипа (αк) аналогичен теоретической зависимости Рк = f(αк).
Изучались также зависимости окружРисунок 5 – Зависимость окружного ного усилия и крутящего момента на валу
усилия Рк от угла поворота кривошипа кривошипа от угла установки рабочего орαк и глубины обработки почвы h:
гана
рыхлителя
почвы
ротационно1, 2, 3 - Рк = f(αкh) экспериментальные за- колебательного действия к поверхности
висимости; 4, 5, 6 - Рк = f(αкh) теоретические зависимости соответственно при по- почвы. В результате опытов определен оптимальный по наименьшему усилию угол
даче S, равной 10, 20, 30см
14
входа рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия в
почву, который равен 28…30°. При других значениях этого угла происходит
сминание почвы рабочим органом рыхлителя почвы ротационно-колебательного
действия и возрастают усилия.
Поскольку характер крошения почвы существенно отличается при работе
разработанного рабочего органа рыхлителя почвы ротационно-колебательного
действия и плоскорезного рабочих органов, то для сравнительной оценки работы
был применен метод Риттингера, который позволяет определить энергозатраты и
качество крошения почвы.
В полевых условиях установлено, что степень крошения почвы рабочим органом рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия на 27% выше, а
удельные затраты энергии на 30% меньше, чем у плоскорезной лапы.
В пятом разделе «Экономическая и энергетическая эффективность машин
для безотвальной обработки почвы» приведены результаты расчетов техникоэкономических и энергетических показателей разработанного рабочего органа
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Анализ существующих способов обработки склонных к эрозии почв показал, что основным недостатком является механическое воздействие, осуществляемое горизонтально установленными рабочими органами в направлении, параллельном поверхности почвы, что увеличивает водную эрозию.
2. В ходе теоретических исследований предложены аналитические выражения для определения траекторий движения характерных точек рабочего органа
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия, а также скорости и ускорения точек его звеньев (уравнения 1, 2, 3); определено условие существования
рабочего органа рыхлителя (неравенства 4).
Для определения параметров рабочего органа рыхлителя разработан алгоритм расчета. Рекомендуется использовать рабочий орган рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия вильчатой формы с количеством зубьев 3, 4 и 5
цилиндрической формы диаметром сечения 20 мм и длиной зубьев 300 мм; шириной захвата секции 0,3 м, расстоянием между зубьями 0,075; 0,10 и 0,15 м; радиусом кривошипа rк = 0,15 м, длиной шатуна ℓш = 0,60 м; подачей на один рабочий
орган S=0,1…0,3 м; режимом работы λ = 5…10, максимальной глубиной обработки 0,25 м.
3. В результате экспериментальных исследований установлено, что окружное усилие и потребная мощность на кривошипе возрастают с увеличением глубины обработки и скорости поступательного движения при повороте его от 0˚ до
180˚, достигая максимума при αк = 130…150˚. Причем характер изменения указанных параметров аналогичен диаграмме сил, действующих на рабочий орган
рыхлителя, определенных теоретически. Полученны значения крутящего момента
Мк, окружного усилия Рк и мощности Nк, которые составили, в расчете на один
метр ширины захвата соответственно 350…650 Нм, 2,4…4,5 кН, 15…20 кВт. Расчеты позволили обосновать максимальную ширину захвата рыхлителя 1,8…2,4 м
15
и скомплектовать агрегат с трактором класса 1,4 кН, и ширину захвата 2,4…3,6 м
с трактором класса 30 кН, в зависимости от агрофона.
4. Агротехническая оценка работы рыхлителя почвы показала, что сохранение стерни, крошение почвы, запас воды в почве, влагопроницаемость удовлетворяет требованиям агротехники. Так сохранение стерни оказалось на уровне 85 - 95
%, что имеет важное значение в предотвращение водной эрозии. Рабочий орган
рыхлителя почвы ротационно-колебательного действия делает от 200 до 900 тысяч углублений на одном гектаре, в которых аккумулируется почвенная влага в
объеме 20...50 м3/га.
5. Проведенные исследования позволили разработать рабочий орган (патенты РФ на полезную модель №80649 и №112582), обеспечивающий высокое качество безотвальной обработки почвы и снижение энергоемкости процесса. Применение рабочего органа позволит снизить в среднем затраты труда на 20…25 %,
эксплуатационные издержки на 19,8 %, энергозатраты на 60% при обработке почвы в сравнении с существующей технологией. Ожидаемый народнохозяйственный эффект от использования рабочего органа рыхлителя почвы ротационноколебательного действия составит 95100 руб. в год (в ценах 2010 г.) и до 500
руб./га за счет повышения урожайности и экономии топлива.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
а) в изданиях, рекомендуемых ВАК:
1. Вафин, Н.Ф. Аэратор - удобритель кормовых угодий / Вафин Н.Ф. // Механизация и электрификация сельского хозяйства 2009., №1. – С. 18-19.
2. Матяшин, Ю.И. Агротехническая оценка рыхлителя для безотвальной обработки почвы с ротационно-колебательными рабочими органами / Матяшин Ю.И.,
Сафин Р.И., Вафин Н.Ф. // Вестник Казанского ГАУ, 2010., №2 (16). – С. 109-113.
3. Вафин, Н.Ф. Обоснование параметров аэратора-удобрителя кормовых угодий / Вафин Н.Ф. // Вестник Казанского ГАУ, 2011., №1 (19). – С. 98-100.
4. Вафин, Н.Ф. Порядок расчета параметров рыхлителя для безотвальной обработки почвы с ротационно-колебательными рабочими органами / Вафин Н.Ф.,
Матяшин А.В., Салахов И.М. // Вестник Казанского ГАУ, 2011., №2. – С. 95-96.
б) в материалах международных, всероссийских конференций и других
изданий:
5. Вафин, Н.Ф. Обзор рабочих органов и машин для поверхностного улучшения кормовых угодий / Вафин Н.Ф. // Труды инженерных факультетов казанского
государственного университета, посвященные 55-летию ФМСХ. – Казань: Изд.
Казанского ГАУ, 2006.-Т.73. – С. 89-96.
6. Матяшин, Ю.И. К обоснованию формы исполнительных рабочих органов в
машинах для безотвальной обработки почвы / Матяшин Ю.И., Матяшин А.В.,
Вафин Н.Ф., Салахов И.М. // Труды инженерных факультетов казанского государственного университета, посвященные 55-летию ФМСХ. –Казань: Изд. Казанского ГАУ, 2006.-Т.73. – С. 74-83.
7. Вафин, Н.Ф. К обоснованию параметров машины для улучшения кормовых
угодий / Вафин Н.Ф., Салахов И.М. // Современные технические вопросы агро-
16
промышленного комплекса. – Казань: Изд. Казанского ГАУ, 2008.- Т.75. Ч 4. – С.
16-19.
8. Вафин, Н.Ф. Расчет кинематических параметров кривошипа рыхлителя с
ротационно-колебательными рабочими органами / Вафин Н.Ф., Матяшин А.В.,
Салахов И.М. // Инновационное развитие агропромышленного комплекса. – Казань: Изд. Казанского ГАУ, 2011.- Т. 78. Ч 2. – С. 179-183.
в) изобретения и полезные модели:
9. Патент № 80649 РФ, МПК А01С 23/00. Аэратор-удобритель (описание полезной модели) / Ю.И. Матяшин, А.В. Матяшин, Н.Ф. Вафин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет». № 2008124784/22; заявл. 17.06.2008; - Опубл.20.02.2009. Бюл. №5. – 3 с.
10. Патент №112582 РФ, МПК А01В 11/00 Почвообрабатывающее орудие для
безотвальной обработки почвы (описание полезной модели) / Ю.И. Матяшин, А.Р.
Валиев, А.В. Матяшин, Н.Ф. Вафин, И.М. Салахов; заявитель и патентообладатель
ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет». - №
2011129458/13; заявл. 15.07.2011; - Опубл.20.01.2012. Бюл. №.2. – 3 с.
Формат 60х84/16. Тираж 100
Подписан к печати 15.02.2012 г.
Печать офсетная. Усл. п.л. 1,00
Заказ 11
Издательство Казанского ГАУ / 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 65
Лицензия на издательскую деятельность код 221 ИД №06342 от 28.11.2001 г.
Отпечатано в типографии Казанского ГАУ
420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 65
Казанский государственный аграрный университет
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
159
Размер файла
866 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа